KR101891828B1 - Oxide semiconductor thin film, thin film transistor and device comprising the thin film transistor - Google Patents

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Abstract

(과제) IGZO 계 산화물 반도체 박막에 있어서, 막 중 수분량을 저감시킬 수 있는 조성을 밝혀, 재현성이 높고, 대면적 디바이스, 특히 플렉시블 디바이스 제작에 적합한 산화물 반도체 박막을 얻는다.
(해결 수단) In, Ga, Zn 및 O 를 주된 구성 원소로 하는 산화물 반도체 박막에 있어서, In, Ga, Zn 의 조성비를 Zn/(In+Ga+Zn) ≤ 1/3, Ga/(In+Ga+Zn) ≤ 9/11, 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 1, 또한 In/(In+Zn) ≤ 1/2 를 만족시키는 것으로 한다.
(Problem) A composition capable of reducing the moisture content of a film is disclosed in an IGZO-based oxide semiconductor thin film, and an oxide semiconductor thin film having high reproducibility and suitable for manufacturing a large-area device, particularly a flexible device, is obtained.
(In + Ga + Zn) ≤ 1/3, Ga / (In + Ga + Zn) ≤ 1/3 in In, Ga and Zn in the oxide semiconductor thin film having In, Ga, Zn and O as main constituent elements, Ga + Zn)? 9/11, 4/5? Ga / (In + Ga)? 1, and In / (In + Zn)? 1/2.

Description

산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 박막 트랜지스터를 구비한 장치{OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM, THIN FILM TRANSISTOR AND DEVICE COMPRISING THE THIN FILM TRANSISTOR}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an oxide semiconductor thin film, a thin film transistor, and a thin film transistor including the thin film transistor and the thin film transistor.

본 발명은 In-Ga-Zn-O 계 (IGZO 계) 의 산화물 반도체 박막 및 그 산화물 반도체 박막을 구비한 박막 트랜지스터에 관한 것이다. 또한 본 발명은 박막 트랜지스터를 사용한 표시 장치, 이미징 센서 및 X 선 디지털 촬영 장치 등의 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an oxide semiconductor thin film of an In-Ga-Zn-O system (IGZO system) and a thin film transistor including the oxide semiconductor thin film. The present invention also relates to an apparatus such as a display device, an imaging sensor and an X-ray digital photographing apparatus using a thin film transistor.

최근, In-Ga-Zn-O 계 (IGZO 계) 의 산화물 반도체 박막을 채널층에 사용한 박막 트랜지스터의 개발이 활발하게 이루어지고 있다 (특허문헌 1 ∼ 5 등). 산화물 반도체 박막은 저온 성막이 가능하며, 또한 아모르퍼스 실리콘보다 고(高)이동도를 나타내고, 게다가 가시광에 투명하기 때문에 플라스틱판이나 필름 등의 기판 상에 플렉시블한 투명 박막 트랜지스터를 형성할 수 있다.In recent years, thin film transistors using an oxide semiconductor thin film of an In-Ga-Zn-O system (IGZO system) as a channel layer have been actively developed (Patent Documents 1 to 5, etc.). Since the oxide semiconductor thin film can be formed at a low temperature, exhibits a higher mobility than amorphous silicon, and is transparent to visible light, a flexible transparent thin film transistor can be formed on a substrate such as a plastic plate or a film.

특허문헌 1 ∼ 4 에 있어서는, 여러 관점에서 IGZO 계의 조성비의 바람직한 범위가 각각 규정되어 있다.In Patent Documents 1 to 4, a preferable range of the composition ratio of the IGZO system is defined from various viewpoints.

특허문헌 5 에 있어서는, 산화물 반도체를 활성층 (채널층) 에 사용한 TFT 에 있어서, 이동도나 온·오프비의 변동의 원인이 활성층에 함유되는 수분량이 상이한 것에 있다는 것이 보고되어 있다. In Patent Document 5, it is reported that, in the TFT using an oxide semiconductor as an active layer (channel layer), the moisture content contained in the active layer is different from the cause of the fluctuation of mobility and on-off ratio.

특허문헌 5 에 있어서는, 산화물 반도체층을 구비한 TFT 의 실용화에 있어서, 실용상으로 문제가 되지 않는 수분 흡입량의 상한이 규정되어 있다.In Patent Document 5, the upper limit of the amount of water absorption, which is not a problem in practice, is specified in the practical use of a TFT having an oxide semiconductor layer.

한편, IGZO 계 아모르퍼스 산화물 반도체 박막을 박막 트랜지스터에 적용할 때에는 350 ℃ ∼ 400 ℃ 정도의 포스트 어닐 처리를 실시하여 소자의 안정성 (임계값 시프트 등) 을 개선시킬 필요성이 있는 것이 일반적으로 인식되어 있다. On the other hand, it is generally recognized that when the IGZO-based amorphous oxide semiconductor thin film is applied to a thin film transistor, it is necessary to perform post annealing at about 350 ° C to 400 ° C to improve the stability (threshold shift, etc.) .

일본 특허공보 제4170454호Japanese Patent Publication No. 4170454 일본 공개특허공보 2007-281409호Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-281409 일본 공표특허공보 2009-533884호Japanese Published Patent Publication No. 2009-533884 일본 공개특허공보 2009-253204호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2009-253204 일본 공개특허공보 2008-283046호Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-283046

현재에 있어서는, 내열성이 낮은 수지 기판 상에 박막 트랜지스터 (TFT) 를 형성한 플렉시블 TFT, 특히 대면적 디바이스에 대응할 수 있는 플렉시블 TFT 에 대한 요청이 높아지고 있기 때문에, 300 ℃ 이하, 보다 바람직하게는 200 ℃ 이하의 저온 어닐 처리로 특성이 높은 TFT 를 형성할 것이 요구되고 있다. 300 ℃ 이하이면 폴리이미드 등의 비교적 내열성이 높은 수지 기판 상에 대한 형성이 가능해지고, 200 ℃ 이하이면 PEN 이나 PTFE 등의 수지 기판에 대한 형성이 가능해져, 적용 범위가 넓어진다. At present, there is an increasing demand for a flexible TFT in which a thin film transistor (TFT) is formed on a resin substrate with low heat resistance, in particular, a flexible TFT capable of coping with a large-area device. It is required to form a TFT having high characteristics by the low temperature annealing process below. When the temperature is less than 300 ° C, it is possible to form a resin substrate having a relatively high heat resistance such as polyimide. When the temperature is 200 ° C or less, a resin substrate such as PEN or PTFE can be formed.

그러나, 저온 어닐로는 아모르퍼스 산화물 박막 중의 수분을 충분히 제거할 수 없어, 막면 내에 있어서 균일한 수분량으로 하는 것은 곤란해진다. 구체적으로는, 특히 대면적의 디바이스를 어닐할 때에 중심 부분과, 중심에서 떨어진 부분에서 몇 도 어닐 온도가 상이한 것만으로 막 중 수분량이 불균일해진다. 또한, 복수의 디바이스를 어닐할 때에, 각 디바이스의 열원으로부터의 거리나, 히터와의 접촉 상태에 약간의 차이가 있었을 때에도 어닐 온도가 몇 도 어긋날 가능성이 있고, 그렇게 된 경우에는 역시 막 중 수분량의 불균일이 발생해 버린다. 막 중 수분량이 불균일해지는 것은 즉, 면 내에 있어서 특성 편차가 발생한다는 것과 다름없다. 특허문헌 5 에 있어서는, 면 내에 있어서의 수분량의 편차에 대해서는 논의되어 있지 않으며, 면 내 편차를 억제하는 시책은 검토되어 있지 않다.However, in the low-temperature annealing, the moisture in the amorphous oxide thin film can not be removed sufficiently, and it becomes difficult to make the water content uniform within the film surface. Concretely, when annealing a large-area device, the moisture content in the film becomes uneven by merely varying the annealing temperature by several degrees at the center portion and the portion apart from the center. Also, when annealing a plurality of devices, there is a possibility that the annealing temperature may deviate by several degrees even when there is a slight difference in distance from the heat source of each device or contact state with the heater. In such a case, Unevenness occurs. The irregularity of the water content in the film is equivalent to the characteristic deviation in the plane. Patent Document 5 does not disclose a variation in the amount of water in a plane, and a measure for suppressing in-plane variation has not been studied.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, IGZO 계 아모르퍼스 산화물 반도체 박막에 있어서, 막 중 수분량을 저감시킬 수 있는 조성을 밝혀, 재현성이 높고, 대면적 디바이스, 특히 플렉시블 디바이스 제작에 적합한 IGZO 계 산화물 반도체 박막을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 또한, 본 발명은 면 내에 있어서의 특성 편차가 적은 박막 트랜지스터 및 박막 트랜지스터를 구비한 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide an IGZO-based oxide semiconductor thin film which has a composition capable of reducing the moisture content of an IGZO-based amorphous oxide semiconductor thin film and which has a high reproducibility and is suitable for manufacturing a large- And to provide a thin film. Another object of the present invention is to provide a thin film transistor and a thin film transistor including the thin film transistor with small variation in characteristics in the plane.

본 발명의 산화물 반도체 박막은 In, Ga, Zn 및 O 를 주된 구성 원소로 하는 산화물 반도체 박막에 있어서, In, Ga, Zn 의 조성비가 Zn/(In+Ga+Zn) ≤ 1/3, Ga/(In+Ga+Zn) ≤ 9/11, 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 1, 또한 In/(In+Zn) ≤ 1/2 인 것을 특징으로 하는 것이다. In the oxide semiconductor thin film of the present invention, the composition ratio of In, Ga, and Zn is Zn / (In + Ga + Zn) ⅓, Ga / (In + Ga + Zn)? 9/11, 4/5? Ga / (In + Ga)? 1, and In / (In + Zn)? 1/2.

특히, 상기 조성비에 있어서, 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 9/10 인 것이 바람직하다.Particularly, it is preferable that the composition ratio is 4/5? Ga / (In + Ga)? 9/10.

여기서 「주된 구성 원소」란, 전체 구성 원소에 대한 In, Ga, Zn, O 의 합계 비율이 98 % 이상인 것을 의미하는 것으로 한다.Here, "main constituent element" means that the total ratio of In, Ga, Zn, and O to the total constituent elements is 98% or more.

상기 산화물 반도체 박막은 비정질인 것이 바람직하다.The oxide semiconductor thin film is preferably amorphous.

비정질막이면 대면적에 걸쳐서 균일한 막을 형성하기 쉽고, 다결정과 같은 입계가 존재하지 않기 때문에 소자 특성의 편차를 억제하는 것이 용이하다.In the case of an amorphous film, it is easy to form a uniform film over a large area, and there is no such a grain boundary as a polycrystal, so it is easy to suppress variation in device characteristics.

상기 산화물 반도체층이 비정질인지 여부는, X 선 회절 측정에 의해 확인할 수 있다. 즉 X 선 회절 측정에 의해, 결정 구조를 나타내는 명확한 피크가 검출되지 않은 경우에는, 그 산화물 반도체층은 비정질인 것으로 판단할 수 있다.Whether or not the oxide semiconductor layer is amorphous can be confirmed by X-ray diffraction measurement. That is, when a clear peak indicating a crystal structure is not detected by X-ray diffraction measurement, it can be judged that the oxide semiconductor layer is amorphous.

본 발명에 있어서 반도체 박막이란, 일반적으로 반도체로서 기능하는 저항률을 갖는 것이면 되는데, 특히, 실온 (20 ℃) 에서의 저항률이 1 Ω㎝ 이상, 1×106 Ω㎝ 이하인 것이 바람직하다. In the present invention, the semiconductor thin film generally has a resistivity that functions as a semiconductor. Particularly, it is preferable that the resistivity at room temperature (20 캜) is 1 Ω cm or more and 1 × 10 6 Ω cm or less.

본 발명의 박막 트랜지스터는, 기판 상에, 활성층과 소스 전극과 드레인 전극과 게이트 절연막과 게이트 전극을 갖는 박막 트랜지스터로서, A thin film transistor of the present invention is a thin film transistor having an active layer, a source electrode, a drain electrode, a gate insulating film and a gate electrode on a substrate,

상기 활성층이, 본 발명의 산화물 반도체 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.And the active layer is made of the oxide semiconductor thin film of the present invention.

상기 기판이 가요성을 갖는 것이 바람직하다. It is preferable that the substrate has flexibility.

특히, 상기 기판이 수지 기판인 것이 바람직하다.Particularly, it is preferable that the substrate is a resin substrate.

본 발명의 표시 장치는, 본 발명의 박막 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.The display device of the present invention is characterized by including the thin film transistor of the present invention.

본 발명 이미지 센서는, 본 발명의 박막 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.The image sensor of the present invention is characterized by including the thin film transistor of the present invention.

본 발명의 X 선 센서는, 본 발명의 박막 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.The X-ray sensor of the present invention is characterized by including the thin film transistor of the present invention.

본 발명의 산화물 반도체 박막은 그 조성비에서 기인하여 수분을 막 중에 잘 흡입하지 않기 때문에 산화물 반도체 박막 중의 수분량이 적다. 따라서, 막 중 수분량의 차이에 따른 특성 편차가 일어나지 않아, 재현성이 높고, 대면적에 균일한 특성을 갖는다. 본 발명의 산화물 반도체 박막을 사용한 박막 트랜지스터는 대면적에 균일한 특성을 갖는 것으로 할 수 있다. The oxide semiconductor thin film of the present invention does not suck moisture into the film due to its composition ratio, so that the amount of moisture in the oxide semiconductor thin film is small. Therefore, the characteristic deviation does not occur according to the difference in the water content in the film, the reproducibility is high, and the characteristic is uniform over a large area. The thin film transistor using the oxide semiconductor thin film of the present invention can have uniform characteristics over a large area.

산화물 반도체 박막 중의 수분량 편차를 매우 작게 하기 위한 방법으로는, 산화물 반도체 박막을 성막할 때의 성막실 내의 수분압을 매우 낮게 하는 방법이나, 성막 후에 고온에서 열처리함으로써 막 중 수분을 제거하는 것을 생각할 수 있다.As a method for minimizing the variation in the water content in the oxide semiconductor thin film, there is a method in which the water vapor pressure in the deposition chamber at the time of forming the oxide semiconductor thin film is made extremely low, or the moisture in the film is removed by heat treatment at a high temperature after the film formation have.

그러나, 전기 특성의 편차가 일어나지 않는 정도까지 성막실 내의 수분압을 낮게 하는 것은 매우 곤란하고, 진공 성막 장치 비용도 높아져, 생산성이 낮아진다. 또한, 수지 기판 등의 위에 성막할 때에는, 기판으로부터 다량으로 수분이 탈리되기 때문에, 성막실 내의 수분압을 낮게 하는 것은 보다 곤란해진다.However, it is very difficult to lower the water vapor pressure in the deposition chamber to such an extent that the electric characteristics do not deviate, and the cost of the vacuum deposition apparatus increases, and the productivity is lowered. Further, when a film is formed on a resin substrate or the like, a large amount of water is desorbed from the substrate, so that it becomes more difficult to lower the water vapor pressure in the film formation chamber.

또한, 성막 후에 고온에서 열처리하는 수법은 제조 비용이 상승할 뿐만 아니라, 기판이나 전극 재료, 절연막 재료의 재료 선택의 폭을 현저하게 저하시킨다. 특히 최근 주목을 끌고 있는 수지 기판 상에 산화물 TFT 를 형성한 플렉시블 디바이스를 얻으려면, 수지 기판의 내열성이 낮기 때문에, 200 ℃ 이상의 열처리는 곤란해진다. In addition, the method of heat treatment at a high temperature after film formation not only raises the production cost, but also significantly reduces the choice of materials for the substrate, the electrode material, and the insulating film material. Particularly, in order to obtain a flexible device in which an oxide TFT is formed on a resin substrate that has recently attracted attention, heat treatment at 200 占 폚 or more is difficult because the heat resistance of the resin substrate is low.

본 발명의 산화물 반도체 박막에 의하면, 조성비를 제어함으로써, 성막실 내의 수분압을 그다지 낮게 하지 않아도 막 중 수분량을 매우 적게 할 수 있기 때문에, 성막 후에 고온에서 열처리하지 않고, 내열성이 낮은 수지 기판 상에도 용이하게 디바이스를 형성할 수 있다. According to the oxide semiconductor thin film of the present invention, by controlling the composition ratio, the water content in the film can be made very small even if the water vapor pressure in the film formation chamber is not made too low. Therefore, The device can be easily formed.

또한, 이들의 효과에 의해 필연적으로 수율도 향상되어, 생산 비용의 저감으로도 이어진다.In addition, the yield is inevitably improved by these effects, leading to reduction of the production cost.

도 1 의 (A) 는 탑 게이트-탑 컨택트형, (B) 는 탑 게이트-보텀 컨택트형, (C) 는 보텀 게이트-탑 컨택트형, (D) 는 보텀 게이트-보텀 컨택트형의 박막 트랜지스터의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 는 실시형태의 액정 표시 장치의 일부분을 나타내는 개략 단면도이다.
도 3 은 도 2 의 액정 표시 장치의 전기 배선의 개략 구성도이다.
도 4 는 실시형태의 X 선 센서 어레이의 일부분을 나타내는 개략 단면도이다.
도 5 는 도 4 의 X 선 센서 어레이의 전기 배선의 개략 구성도이다.
도 6 은 전기 저항 측정용 시료의 제작 공정을 나타내는 (A) 평면도, (B) 단면도이다.
도 7 은 전기 저항 측정용 시료의 개략 구성을 나타내는 (A) 평면도, (B) 단면도이다.
도 8 은 실시예 1, 2 및 비교예 1 ∼ 4 의 IGZO 막의 승온·강온 과정에서의 온도와 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9 는 M/z = 18(H2O) 에 대한 승온시의 탈리 가스량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10 은 실시예 1, 3 및 비교예 5, 6 의 IGZO 막의 승온·강온 과정에서의 온도와 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11 은 실시예 1, 4, 비교예 7 ∼ 9 의 IGZO 막의 승온·강온 과정에서의 온도와 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12 는 실시예 5, 6 의 IGZO 막의 승온·강온 과정에서의 온도와 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13 의 (A) 는 간이형 TFT 의 평면도, (B) 는 단면도이다.
도 14 는 실시예 TFT 1 의 Vg-Id 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15 는 실시예 TFT 2 의 Vg-Id 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16 은 실시예 TFT 3 의 Vg-Id 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17 은 본 발명의 In, Ga, Zn 의 조성비 범위를 나타내는 삼원 상태도이다.
FIG. 1A is a top gate-top contact type, FIG. 1B is a top gate-bottom contact type, FIG. 1C is a bottom gate-top contact type and FIG. 1D is a bottom gate- 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration.
2 is a schematic cross-sectional view showing a part of a liquid crystal display device according to the embodiment.
3 is a schematic configuration diagram of the electric wiring of the liquid crystal display device of Fig.
4 is a schematic sectional view showing a part of the X-ray sensor array of the embodiment.
Fig. 5 is a schematic configuration diagram of the electric wiring of the X-ray sensor array of Fig. 4;
6 is a plan view (A) and a cross-sectional view (B) showing a manufacturing process of a sample for measuring electrical resistance.
7 is a plan view (A) and a sectional view (B) of a schematic configuration of a sample for measuring electrical resistance.
8 is a graph showing the relationship between the temperature and the resistivity in the IGZO films of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 in the temperature rising and temperature decreasing processes.
9 is a graph showing a change in the amount of desorbed gas at the time of temperature rise with respect to M / z = 18 (H 2 O).
10 is a graph showing the relationship between the temperature and the resistivity in the IGZO films of Examples 1 and 3 and Comparative Examples 5 and 6 during the temperature rise and temperature decrease process.
11 is a graph showing the relationship between the temperature and the resistivity in the IGZO films of Examples 1 and 4 and Comparative Examples 7 to 9 in the temperature increasing and decreasing process.
12 is a graph showing the relationship between the temperature and the resistivity in the IGZO film of Examples 5 and 6 in the temperature rising and temperature decreasing processes.
FIG. 13A is a plan view of the simple type TFT, and FIG. 13B is a sectional view.
14 is a graph showing V g -I d characteristics of the TFT 1 of Example.
15 is a graph showing V g -I d characteristics of the TFT 2 of Example.
16 is a graph showing V g -I d characteristics of the TFT 3 of the embodiment.
17 is a three-state diagram showing a composition ratio range of In, Ga, and Zn of the present invention.

이하, 본 발명의 산화물 반도체 박막, 박막 트랜지스터 및 박막 트랜지스터를 구비한 장치의 실시형태에 대하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the oxide semiconductor thin film, the thin film transistor, and the device including the thin film transistor of the present invention will be described.

<산화물 반도체 박막> &Lt; Oxide semiconductor thin film &

본 발명의 산화물 반도체 박막은 In, Ga, Zn, O 를 주된 구성 원소로 하고, 그 조성비가 Zn/(In+Ga+Zn) ≤ 1/3, Ga/(In+Ga+Zn) ≤ 9/11, 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 1, 또한 In/(In+Zn) ≤ 1/2 인 것을 특징으로 하는 IGZO 막이다. 보다 바람직하게는 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 9/10 이다. The oxide semiconductor thin film of the present invention contains In, Ga, Zn, and O as main constituent elements and has a composition ratio of Zn / (In + Ga + Zn) 11, 4/5? Ga / (In + Ga)? 1, and In / (In + Zn)? 1/2. More preferably 4/5? Ga / (In + Ga)? 9/10.

또한, 여기서 반도체 박막은 반도체로서 기능하는 저항률을 갖는 것이면 되는데, 특히, 실온 (20 ℃) 에 있어서의 저항률이 1 Ω㎝ 이상, 1×106 Ω㎝ 이하의 범위인 것으로 한다. Here, the semiconductor thin film may be one having a resistivity functioning as a semiconductor. Particularly, it is assumed that the resistivity at room temperature (20 DEG C) is in a range of 1 OMEGA cm or more and 1 x 10 &lt; 6 &gt;

본 발명의 산화물 반도체 박막은 비정질인 것이 바람직하다.The oxide semiconductor thin film of the present invention is preferably amorphous.

또한, 여기서 박막이란 1 ㎚ 이상 10 ㎛ 이하 정도를 말하는 것으로 한다.Here, it is assumed that the thin film is about 1 nm or more and 10 占 퐉 or less.

본 발명의 산화물 반도체 박막은 스퍼터 등의 성막 수법을 사용하여 성막할 수 있다.The oxide semiconductor thin film of the present invention can be formed by a deposition method such as sputtering.

In, Ga, Zn 의 조성비가 Zn/(In+Ga+Zn) ≤ 1/3, Ga/(In+Ga+Zn) ≤ 9/11, 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 1, 또한 In/(In+Zn) ≤ 1/2 인 IGZO 막을 스퍼터에 의해 성막하는 방법으로는, 성막한 IGZO 막 중의 In, Ga, Zn 조성비가 Zn/(In+Ga+Zn) ≤ 1/3, 또한 Ga/(In+Ga+Zn) ≤ 9/11, 또한 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 1, 또한 In/(In+Zn) ≤ 1/2 가 되는 복합 산화물 타깃의 단독 스퍼터여도 되고, In, Ga, Zn, 또는 이들의 산화물 혹은 이들의 복합 산화물 타깃을 조합하여 사용한 공(共)스퍼터여도 된다.Ga / (In + Ga + Zn) &lt; / = 1/3, Ga / (In + Ga + Zn) As a method of forming an IGZO film of In / (In + Zn) &lt; / = 1/2 by sputtering, the composition ratio of In, Ga and Zn in the IGZO film formed is Zn / (In + Ga + Zn) A single sputtering target of a composite oxide target in which Ga / (In + Ga + Zn)? 9/11, and 4/5? Ga / (In + Ga)? 1 and In / Or may be a co-sputtering method using a combination of In, Ga, Zn, oxides thereof, or complex oxide targets thereof.

또한, 얻어지는 막의 저항률을 제어하기 위해서, 성막시의 성막실 내의 산소 분압은 임의로 제어한다. 성막실 내의 산소 분압을 제어하는 수법으로는, 성막실 내에 도입하는 O2 가스량을 변화시키는 방법이어도 되고, 산소 라디칼이나 오존 가스의 도입량을 변화시키는 방법이어도 된다. 산소 분압을 높게 하면, 산화물 반도체 박막의 저항률을 상승시킬 수 있고, 산소 분압을 낮게 하면, 막 중의 산소 결함을 증가시켜 산화물 반도체 박막의 저항률을 저하시킬 수 있다.Further, in order to control the resistivity of the obtained film, the oxygen partial pressure in the film formation chamber at the time of film formation is arbitrarily controlled. A method of controlling the oxygen partial pressure in the deposition chamber may be a method of changing the amount of O 2 gas introduced into the deposition chamber, or a method of changing the introduction amount of the oxygen radical or the ozone gas. If the oxygen partial pressure is increased, the resistivity of the oxide semiconductor thin film can be increased. If the oxygen partial pressure is lowered, the oxygen defects in the film can be increased and the resistivity of the oxide semiconductor thin film can be lowered.

또한, 산소 가스 도입을 정지시킨 경우에도 저항이 높은 경우에는, H2 나 N2 등의 환원성 가스를 도입하여, 더욱 막 중의 산소 결함을 증가시켜도 된다.Further, even when the introduction of the oxygen gas is stopped, when the resistance is high, a reducing gas such as H 2 or N 2 may be introduced to further increase the oxygen deficiency in the film.

또한, 성막 중의 기판 온도는 기판에 따라 임의로 선택해도 되지만, 플렉시블 기판을 사용하는 경우에는 기판 온도는 보다 실온에 가까운 것이 바람직하다.The substrate temperature during film formation may be arbitrarily selected depending on the substrate, but in the case of using a flexible substrate, the substrate temperature is preferably closer to room temperature.

산화물 반도체 박막은 성막 후에 어닐 처리가 실시된 것이 바람직하다.It is preferable that the oxide semiconductor thin film is annealed after film formation.

어닐 온도는 산화물 반도체 박막의 면 내 전기 특성의 편차를 억제하기 위해서, 100 ℃ 이상 300 ℃ 이하인 것이 바람직하다. 박막을 형성하는 기판으로서, 내열성이 낮은 수지 기판 등의 가요성 기판을 사용하는 경우에는, 100 ℃ 이상 200 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. The annealing temperature is preferably 100 deg. C or more and 300 deg. C or less in order to suppress the variation of the in-plane electrical characteristics of the oxide semiconductor thin film. When a flexible substrate such as a resin substrate having low heat resistance is used as the substrate on which the thin film is formed, it is preferable that the temperature is not lower than 100 ° C and not higher than 200 ° C.

어닐 처리 중의 분위기는 불활성 분위기, 또는 산화성 분위기로 하는 것이 바람직하다. 환원성 분위기 중에서 어닐 처리를 실시하면, 산화물 반도체 중의 산소가 빠지고, 잉여 캐리어가 발생하여, 전기 특성 편차가 일어나기 쉽다. 또한 어닐 처리 분위기의 습도가 매우 높은 경우에는 막 중에 수분이 흡입되기 쉬워, 전기 특성 편차가 일어나기 쉬워지기 때문에, 습도는 50 % 이하에서 실시하는 것이 바람직하다.The atmosphere during annealing is preferably an inert atmosphere or an oxidizing atmosphere. When the annealing treatment is performed in a reducing atmosphere, oxygen in the oxide semiconductor is released, surplus carriers are generated, and electric characteristic deviations are likely to occur. In addition, in the case where the humidity of the annealing atmosphere is very high, moisture is likely to be sucked into the film, and electric characteristics tend to occur. Therefore, the humidity is preferably 50% or less.

본 발명의 산화물 반도체 박막은 박막 트랜지스터의 활성층으로서 일반적으로 사용되는 IGZO 재료에 비해 Ga 조성비가 높다. 본 발명의 조성 범위의 IGZO 막을 사용함으로써, 성막시에 막 중에 흡입되는 수분량을 매우 낮게 억제할 수 있고, 그 결과, 막 중 수분량 편차에 의한 전기 특성 편차를 매우 작게 억제할 수 있게 되는 것을 본 발명자는 알아내었다. 막 중 수분량이 매우 낮게 억제된다는 것은 성막 후의 포스트 어닐 처리시에 방출되는 물의 양도 적어지고, 그 결과, 물 탈리에 수반되는 캐리어의 발생이 저감되어, 전기 특성의 설계가 용이해진다.The oxide semiconductor thin film of the present invention has a Ga composition ratio higher than that of an IGZO material generally used as an active layer of a thin film transistor. By using the IGZO film of the composition range of the present invention, the amount of water sucked into the film at the time of film formation can be suppressed to a very low level. As a result, it is possible to suppress the deviation of the electric characteristics due to the moisture content in the film to be very small. I found out. The fact that the moisture content in the film is suppressed to be extremely low means that the amount of water released during the post-annealing treatment after film formation is also reduced, and as a result, the generation of carriers accompanied by water desorption is reduced, and the design of electric characteristics is facilitated.

일반적으로, Ga 조성을 단순히 높게 하면, 전기 저항은 높아지고, 반도체로서 사용하는 것이 곤란해지는 것이 알려져 있다.In general, it is known that simply increasing the Ga composition increases the electrical resistance and makes it difficult to use it as a semiconductor.

발명자는, 상세한 연구에 의해, 막 중 수분량이 적으며, 또한 반도체로서 디바이스에 이용할 수 있는 조성 범위를 밝혀 본 발명에 이른 것이다.The inventor of the present invention has come to the present invention by studying in detail a composition range which is low in moisture content in a film and which can be used for a device as a semiconductor.

본 발명에서는, 고온에서 열처리하지 않고 막 중 수분량을 낮은 것으로 할 수 있다는 점에서, 내열성이 낮은 수지 기판에 형성하는 것이 용이해진다. 따라서 플렉시블 디바이스에 대한 적용이 보다 용이해진다.In the present invention, since it is possible to reduce the moisture content of the film without heat treatment at a high temperature, it is easy to form the resin on a substrate with low heat resistance. Therefore, application to a flexible device becomes easier.

본 발명의 IGZO 계 산화물 반도체 박막은 막 중에 수분을 잘 흡입하지 않는 조성으로, 전기적인 특성의 면 내 균일성이 매우 높기 때문에, 대면적 디바이스에 적용되는 박막 트랜지스터의 활성층으로서 유용하다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The IGZO-based oxide semiconductor thin film of the present invention is useful as an active layer of a thin film transistor applied to a large-area device, since it has a composition that does not suck moisture well in a film and has high in-

<박막 트랜지스터><Thin Film Transistor>

도 1(A) 내지 (D) 는, 본 발명의 제 1 ∼ 제 4 실시형태의 박막 트랜지스터 (1 ∼ 4) 의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 1(A) ∼ (D) 의 각 박막 트랜지스터에 있어서, 공통의 요소에는 동일한 부호를 부여하였다.1 (A) to 1 (D) are cross-sectional views schematically showing the structures of the thin film transistors 1 to 4 of the first to fourth embodiments of the present invention. In each of the thin film transistors shown in Figs. 1 (A) to 1 (D), common elements are given the same reference numerals.

본 발명의 실시형태에 관련된 박막 트랜지스터 (1 ∼ 4) 는, 기판 (11) 상에, 활성층 (12) 과 소스 전극 (13) 과 드레인 전극 (14) 과 게이트 절연막 (15) 과 게이트 전극 (16) 을 가져 이루어지고, 활성층 (12) 으로서 상기 서술한 본 발명의 산화물 반도체 박막을 구비하고 있다. The thin film transistors 1 to 4 according to the embodiment of the present invention are each provided with the active layer 12, the source electrode 13 and the drain electrode 14, the gate insulating film 15 and the gate electrode 16 ), And the active layer 12 is provided with the oxide semiconductor thin film of the present invention described above.

도 1(A) 에 나타내는 제 1 실시형태의 박막 트랜지스터 (1) 는, 탑 게이트-탑 컨택트형의 트랜지스터이고, 도 1(B) 에 나타내는 제 2 실시형태의 박막 트랜지스터 (2) 는, 탑 게이트-보텀 컨택트형의 트랜지스터이고, 도 1(C) 에 나타내는 제 3 실시형태의 박막 트랜지스터 (3) 는, 보텀 게이트-탑 컨택트형의 트랜지스터이고, 도 1(D) 에 나타내는 제 4 실시형태의 박막 트랜지스터 (4) 는, 보텀 게이트-보텀 컨택트형의 트랜지스터이다. The thin film transistor 1 of the first embodiment shown in Fig. 1 (A) is a top gate-top contact type transistor and the thin film transistor 2 of the second embodiment shown in Fig. 1 (B) 1B is a bottom contact type transistor and the thin film transistor 3 of the third embodiment shown in Fig. 1C is a bottom gate-top contact type transistor and is a thin film transistor of the fourth embodiment shown in Fig. The transistor 4 is a bottom gate-bottom contact type transistor.

도 1(A) ∼ (D) 에 나타내는 실시형태는, 게이트, 소스, 드레인 전극의, 산화물 반도체층에 대한 배치가 상이한데, 동일 부호가 부여되어 있는 각 요소의 기능은 동일하고, 동일한 재료를 적응할 수 있다.In the embodiment shown in Figs. 1 (A) to 1 (D), the arrangement of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode in the oxide semiconductor layer is different, but the same reference numerals denote the same elements. You can adapt.

이하, 각 구성 요소에 대하여 상세히 서술한다.Hereinafter, each component will be described in detail.

(기판) (Board)

박막 트랜지스터 (1) 를 형성하기 위한 기판 (11) 의 형상, 구조, 크기 등에 대해서는 특별히 제한은 없고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 기판의 구조는 단층 구조여도 되고, 적층 구조여도 된다.The shape, structure, size, etc. of the substrate 11 for forming the thin film transistor 1 are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. The substrate may have a single-layer structure or a stacked-layer structure.

기판 (11) 으로는, 예를 들어, YSZ (이트륨 안정화 지르코늄) 나 유리 등의 무기 재료, 수지나 수지 복합 재료 등으로 이루어지는 기판을 사용할 수 있다.As the substrate 11, for example, a substrate made of an inorganic material such as YSZ (yttrium stabilized zirconium) or glass, or a resin or a resin composite material can be used.

그 중에서도 경량인 점, 가요성을 갖는 점에서 수지 혹은 수지 복합 재료로 이루어지는 기판이 바람직하다. 구체적으로는, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트, 알릴디글리콜카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리벤즈아졸, 폴리페닐렌술파이드, 폴리시클로올레핀, 노르보르넨 수지, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 등의 불소 수지, 액정 폴리머, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 이오노머 수지, 시아네이트 수지, 가교 푸마르산디에스테르, 고리형 폴리올레핀, 방향족 에테르, 말레이미드-올레핀, 셀룰로오스, 에피술파이드 화합물 등의 합성 수지로 이루어지는 기판, 앞서 서술한 합성 수지 등과 산화규소 입자의 복합 플라스틱 재료로 이루어지는 기판, 앞서 서술한 합성 수지 등과 금속 나노 입자, 무기 산화물 나노 입자 혹은 무기 질화물 나노 입자 등의 복합 플라스틱 재료로 이루어지는 기판, 앞서 서술한 합성 수지 등과 카본 섬유 혹은 카본 나노 튜브의 복합 플라스틱 재료로 이루어지는 기판, 앞서 서술한 합성 수지 등과 유리 플레이크, 유리 파이버 혹은 유리 비드의 복합 플라스틱 재료로 이루어지는 기판, 앞서 서술한 합성 수지 등과 점토 광물 혹은 운모 파생 결정 구조를 갖는 입자의 복합 플라스틱 재료로 이루어지는 기판, 얇은 유리와 앞서 서술한 어느 합성 수지 사이에 적어도 1 회의 접합 계면을 갖는 적층 플라스틱 기판, 무기층과 유기층 (앞서 서술한 합성 수지) 을 교대로 적층함으로써, 적어도 1 회 이상의 접합 계면을 갖는 배리어 성능을 갖는 복합 재료로 이루어지는 기판, 스테인리스 기판 또는 스테인리스와 이종(異種) 금속을 적층한 금속 다층 기판, 알루미늄 기판 또는 표면에 산화 처리 (예를 들어 양극(陽極) 산화 처리) 를 실시함으로써 표면의 절연성을 향상시킨 산화 피막이 부착된 알루미늄 기판 등을 사용할 수 있다.Among them, a substrate made of a resin or a resin composite material is preferable in that it is lightweight and has flexibility. Specific examples thereof include polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene naphthalate, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyether sulfone, polyarylate, allyl diglycol carbonate, polyamide, polyimide, Fluorine resins such as polyamideimide, polyetherimide, polybenzazole, polyphenylene sulfide, polycycloolefin, norbornene resin and polychlorotrifluoroethylene, liquid crystal polymers, acrylic resins, epoxy resins, silicone resins, ionomers A substrate made of a synthetic resin such as a resin, a cyanate resin, a crosslinked fumaric acid diester, a cyclic polyolefin, an aromatic ether, a maleimide-olefin, a cellulose or an episulfide compound, a composite plastic material such as the above- A substrate made of A substrate made of a synthetic resin or the like and a composite plastic material such as metal oxide nanoparticles, inorganic oxide nanoparticles or inorganic nitride nanoparticles, a substrate made of synthetic resin or the like and a composite plastic material of carbon fiber or carbon nanotube as described above, A substrate made of a composite plastic material such as a glass flake, a glass fiber or a glass bead, a substrate made of synthetic resin or the like and a composite plastic material of a clay mineral or a particle having a mica-derived crystal structure, a thin glass, A substrate made of a composite material having barrier properties having at least one bonding interface by alternately laminating an inorganic layer and an organic layer (a synthetic resin described above) alternately with a laminated plastic substrate having at least one bonding interface between the resins, Substrate A metal multilayer substrate in which stainless steel and a dissimilar metal are laminated, an aluminum substrate or an aluminum substrate having an oxide film with improved surface insulation by subjecting the surface to oxidation treatment (for example, anodic oxidation treatment) Can be used.

또한, 수지 기판으로는, 내열성, 치수 안정성, 내용제성, 전기 절연성, 가공성, 저통기성, 및 저흡습성 등이 우수한 것이 바람직하다.The resin substrate is preferably excellent in heat resistance, dimensional stability, solvent resistance, electrical insulation, workability, low air permeability, and low hygroscopicity.

수지 기판은 수분이나 산소의 투과를 방지하기 위한 가스 배리어층이나, 수지 기판의 평탄성이나 하부 전극과의 밀착성을 향상시키기 위한 언더코트층 등을 구비하고 있어도 된다.The resin substrate may be provided with a gas barrier layer for preventing permeation of water or oxygen, an undercoat layer for improving the flatness of the resin substrate and adhesion with the lower electrode, and the like.

또한, 기판의 두께는 50 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 기판의 두께가 50 ㎛ 이상이면, 기판 자체의 평탄성이 보다 향상된다. 기판의 두께가 500 ㎛ 이하이면, 기판 자체의 가요성이 보다 향상되어, 플렉시블 디바이스용 기판으로서의 사용이 보다 용이해진다. 또한, 기판을 구성하는 재료에 따라 충분한 평탄성 및 가요성을 갖는 두께는 상이하기 때문에, 기판 재료에 따라 그 두께를 설정할 필요가 있는데, 대체로 그 범위는 50 ㎛ - 500 ㎛ 의 범위가 된다.It is also preferable that the thickness of the substrate is 50 占 퐉 or more and 500 占 퐉 or less. When the thickness of the substrate is 50 mu m or more, the flatness of the substrate itself is further improved. When the thickness of the substrate is 500 m or less, the flexibility of the substrate itself is further improved, and the substrate is more easily used as a substrate for a flexible device. In addition, since the thickness of the substrate having sufficient flatness and flexibility differs depending on the material constituting the substrate, it is necessary to set the thickness thereof in accordance with the substrate material, and the range is generally in a range of 50 to 500 mu m.

(활성층) (Active layer)

활성층 (12) 으로서 본 발명의 산화물 반도체 박막 (이하, 산화물 반도체층 (12) 이라고 한다) 을 구비한다. 즉, 산화물 반도체층 (12) 은 In, Ga, Zn, O 를 주된 구성 원소로 하고, 그 조성비가 Zn/(In+Ga+Zn) ≤ 1/3, Ga/(In+Ga+Zn) ≤ 9/11, 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 1, 또한 In/(In+Zn) ≤ 1/2 로 나타내는 IGZO 막이고, 바람직하게는 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 9/10 이다.And an oxide semiconductor thin film (hereinafter referred to as an oxide semiconductor layer 12) of the present invention is provided as the active layer 12. In other words, the oxide semiconductor layer 12 is made of In, Ga, Zn, O as main constituent elements and the composition ratio thereof is Zn / (In + Ga + Zn) Ga / (In + Ga) &lt; / = Ga / (In + Ga) &lt; ? 9/10.

산화물 반도체층 (12) 의 막두께는 박막의 평탄성 및 성막 시간의 관점에서 5 ㎚ 이상 150 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. The thickness of the oxide semiconductor layer 12 is preferably 5 nm or more and 150 nm or less from the viewpoint of the flatness of the thin film and the film formation time.

산화물 반도체층 (12) 은 앞서 서술한 바와 같이 스퍼터 등에 의해 성막할 수 있다.The oxide semiconductor layer 12 can be formed by sputtering or the like as described above.

(소스·드레인 전극) (Source and drain electrodes)

소스 전극 (13) 및 드레인 전극 (14) 은 모두 높은 도전성을 갖는 것이면 특별히 제한 없이, 예를 들어 Al, Mo, Cr, Ta, Ti, Au, Ag 등의 금속, Al-Nd, Ag 합금, 산화주석, 산화아연, 산화인듐, 산화인듐주석 (ITO), 산화아연인듐 (IZO) 등의 금속 산화물 도전막 등을, 단층 또는 2 층 이상의 적층 구조로 하여 사용할 수 있다.The source electrode 13 and the drain electrode 14 are formed of a metal such as Al, Mo, Cr, Ta, Ti, Au or Ag, Al-Nd, Ag alloy, A metal oxide conductive film such as tin, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), zinc oxide indium (IZO), or the like can be used as a single layer or a laminated structure of two or more layers.

소스 전극 (13) 및 드레인 전극 (14) 은 모두, 예를 들어 인쇄 방식, 코팅 방식 등의 습식 방식, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등의 물리적 방식, CVD, 플라스마 CVD 법 등의 화학적 방식 등 중에서 사용하는 재료와의 적성을 고려하여 적절히 선택한 방법에 따라 성막하면 된다. The source electrode 13 and the drain electrode 14 are all formed by a physical method such as a wet method such as a printing method or a coating method, a vacuum evaporation method, a sputtering method or an ion plating method, a chemical method such as a CVD method or a plasma CVD method The film may be formed in accordance with a method suitably selected in consideration of suitability with a material to be used.

소스 전극 (13) 및 드레인 전극 (14) 을 상기 금속에 의해 구성하는 경우, 성막성, 에칭이나 리프트 오프법에 의한 패터닝성 및 도전성 등을 고려하면, 그 두께는 10 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하로 하는 것이 바람직하고, 50 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.When the source electrode 13 and the drain electrode 14 are formed of the above metal, considering the film forming property, the patterning property by the etching or the lift-off method, the conductivity, etc., the thickness is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less More preferably 50 nm or more and 100 nm or less.

(게이트 절연막) (Gate insulating film)

게이트 절연막 (15) 으로는, 높은 절연성을 갖는 것이 바람직하고, 예를 들어 SiO2, SiNx, SiON, A12O3, Y2O3, Ta2O5, HfO2 등의 절연막, 또는 이들의 화합물을 적어도 2 개 이상 함유하는 절연막 등으로 구성할 수 있다.As the gate insulating film 15, it is preferable to have a high insulating property, and for example, an insulating film such as SiO 2 , SiN x , SiON, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , And an insulating film containing at least two or more compounds of the formula

게이트 절연막 (15) 은 인쇄 방식, 코팅 방식 등의 습식 방식, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등의 물리적 방식, CVD, 플라스마 CVD 법 등의 화학적 방식 등 중에서 사용하는 재료와의 적성을 고려하여 적절히 선택한 방법에 따라 성막하면 된다.The gate insulating film 15 may be formed by a method such as a wet method such as a printing method or a coating method, a physical method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, and an ion plating method, a chemical method such as a CVD method or a plasma CVD method, The film may be formed according to a properly selected method.

또한, 게이트 절연막 (15) 은 리크 전류의 저하 및 전압 내성의 향상을 위해서 충분한 두께를 가질 필요가 있는 한편, 두께가 지나치게 크면 구동 전압의 상승을 초래해 버린다. 게이트 절연막 (15) 의 두께는, 재질에 따라 다르기도 하지만, 10 ㎚ ∼ 10 ㎛ 가 바람직하고, 50 ㎚ ∼ 1000 ㎚ 가 보다 바람직하며, 100 ㎚ ∼ 400 ㎚ 가 특히 바람직하다. In addition, the gate insulating film 15 needs to have a sufficient thickness to reduce the leak current and improve the voltage resistance, while if the thickness is excessively large, the driving voltage is increased. The thickness of the gate insulating film 15 may vary depending on the material, but is preferably 10 nm to 10 mu m, more preferably 50 nm to 1000 nm, and particularly preferably 100 nm to 400 nm.

(게이트 전극) (Gate electrode)

게이트 전극 (16) 으로는, 높은 도전성을 갖는 것이면 특별히 제한 없이, 예를 들어 Al, Mo, Cr, Ta, Ti, Au, Ag 등의 금속, Al-Nd, Ag 합금, 산화주석, 산화아연, 산화인듐, 산화인듐주석 (ITO), 산화아연인듐 (IZO) 등의 금속 산화물 도전막 등을, 단층 또는 2 층 이상의 적층 구조로 하여 사용할 수 있다.As the gate electrode 16, a metal such as Al, Mo, Cr, Ta, Ti, Au, Ag, Al-Nd, an Ag alloy, tin oxide, zinc oxide, A metal oxide conductive film such as indium oxide, indium tin oxide (ITO), zinc oxide indium (IZO), or the like can be used as a single layer or a laminated structure of two or more layers.

게이트 전극 (16) 은 예를 들어 인쇄 방식, 코팅 방식 등의 습식 방식, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등의 물리적 방식, CVD, 플라스마 CVD 법 등의 화학적 방식 등 중에서 사용하는 재료와의 적성을 고려하여 적절히 선택한 방법에 따라 성막하면 된다.The gate electrode 16 may be formed by a wet process such as a printing process or a coating process, a physical process such as a vacuum deposition process, a sputtering process or an ion plating process, a chemical process such as a CVD process or a plasma CVD process, The film may be formed according to a method appropriately selected.

게이트 전극 (16) 을 상기 금속에 의해 구성하는 경우, 성막성, 에칭이나 리프트 오프법에 의한 패터닝성 및 도전성 등을 고려하면, 그 두께는 10 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하로 하는 것이 바람직하고, 50 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.When the gate electrode 16 is formed of the above metal, the thickness is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less in consideration of the film forming property, the patterning property by the etching or the lift-off method, Or more and 200 nm or less.

<박막 트랜지스터의 제조 방법><Thin Film Transistor Manufacturing Method>

도 1(A) 에 나타내는 탑 게이트-탑 컨택트형의 박막 트랜지스터 (1) 의 제조 방법에 대하여 간단하게 설명한다.A manufacturing method of the top gate-top contact type thin film transistor 1 shown in Fig. 1 (A) will be briefly described.

기판 (11) 을 준비하고, 기판 (11) 상에 활성층인 산화물 반도체 박막 (12) 을, 앞서 서술한 스퍼터법 등의 성막 수법에 의해 성막한다.The substrate 11 is prepared and an oxide semiconductor thin film 12 as an active layer is formed on the substrate 11 by a deposition method such as the sputtering method described above.

이어서 산화물 반도체층 (12) 을 패터닝한다. 패터닝은 포토리소그래피 및 에칭에 의해 실시할 수 있다. 구체적으로는, 잔존시키는 부분에 포토리소그래피에 의해 레지스트 패턴을 형성하고, 염산, 질산, 묽은황산, 또는 인산, 질산 및 아세트산의 혼합액 등의 산 용액에 의해 에칭함으로써 패턴을 형성한다.Then, the oxide semiconductor layer 12 is patterned. The patterning can be performed by photolithography and etching. Specifically, a resist pattern is formed on the remaining portion by photolithography, and a pattern is formed by etching with an acid solution such as hydrochloric acid, nitric acid, dilute sulfuric acid, or a mixed solution of phosphoric acid, nitric acid and acetic acid.

또한, 산화물 반도체층 (12) 상에는, 소스, 드레인 전극 에칭시에 산화물 반도체층을 보호하기 위한 보호막을 형성해 두어도 된다. 보호막은 산화물 반도체층과 연속으로 성막해도 되고, 산화물 반도체층의 패터닝 후에 형성해도 된다.A protective film for protecting the oxide semiconductor layer may be formed on the oxide semiconductor layer 12 when the source and drain electrodes are etched. The protective film may be formed continuously with the oxide semiconductor layer, or may be formed after patterning the oxide semiconductor layer.

다음으로, 산화물 반도체층 (12) 상에 소스·드레인 전극 (13, 14) 을 형성하기 위한 금속막을 형성한다.Next, a metal film for forming the source / drain electrodes 13 and 14 is formed on the oxide semiconductor layer 12.

이어서 금속막을 에칭 또는 리프트 오프법에 의해 소정의 형상으로 패터닝하여, 소스 전극 (13) 및 드레인 전극 (14) 을 형성한다. 이 때, 소스·드레인 전극 (13, 14) 및 이들 전극 (도시 생략) 에 접속하는 배선을 동시에 패터닝하는 것이 바람직하다. Then, the metal film is patterned into a predetermined shape by an etching or a lift-off method to form the source electrode 13 and the drain electrode 14. At this time, it is preferable to simultaneously pattern the source / drain electrodes 13 and 14 and the wirings connected to these electrodes (not shown).

소스·드레인 전극 (13, 14) 및 배선을 형성한 후, 게이트 절연막 (15) 을 형성하고, 게이트 절연막 (15) 에 대하여, 포토리소그래피 및 에칭에 의해 소정의 형상으로 패터닝을 실시한다. After the source / drain electrodes 13 and 14 and the wiring are formed, the gate insulating film 15 is formed and the gate insulating film 15 is patterned into a predetermined shape by photolithography and etching.

게이트 절연막 (15) 을 형성한 후, 게이트 전극 (16) 을 형성한다. 전극막을 성막 후, 에칭 또는 리프트 오프법에 의해 소정의 형상으로 패터닝하여, 게이트 전극 (16) 을 형성한다. 이 때, 게이트 전극 (16) 및 게이트 배선을 동시에 패터닝하는 것이 바람직하다.After the gate insulating film 15 is formed, the gate electrode 16 is formed. After forming the electrode film, the gate electrode 16 is formed by patterning in a predetermined shape by etching or lift-off method. At this time, it is preferable to simultaneously pattern the gate electrode 16 and the gate wiring.

(포스트 어닐) (Post annealing)

게이트 전극 패터닝 후에 포스트 어닐 처리를 실시한다. 포스트 어닐 처리는 산화물 반도체층 (12) 의 성막 후라면, 특별히 순서는 한정되지 않고, 산화물 반도체 성막 직후여도 된다면 전극, 절연막의 성막, 패터닝이 모두 끝난 후에 실시해도 된다.After the gate electrode patterning, the post annealing process is performed. The post annealing process is not particularly limited as long as the oxide semiconductor layer 12 is formed, and the post annealing process may be performed immediately after the formation of the electrode, the insulating film, and the patterning, as long as it is immediately after the formation of the oxide semiconductor film.

포스트 어닐 온도는 반도체층 (12) 의 전기 특성의 편차를 억제하기 위해서 100 ℃ 이상 300 ℃ 이하인 것이 바람직하고, 가요성 기판을 사용하는 경우를 고려하면, 100 ℃ 이상 200 ℃ 이하에서 실시하는 것이 보다 바람직하다. 100 ℃ 이상 300 ℃ 이하이면, 막 중의 산소 결손량을 변화시키지 않고, 박막 트랜지스터의 특성을 개선시킬 수 있다.The post anneal temperature is preferably 100 deg. C or higher and 300 deg. C or lower in order to suppress the deviation of the electric characteristics of the semiconductor layer 12. In consideration of the case of using a flexible substrate, desirable. If the temperature is higher than or equal to 100 ° C and lower than or equal to 300 ° C, the characteristics of the thin film transistor can be improved without changing the amount of oxygen deficiency in the film.

또한, 포스트 어닐 중의 분위기는 불활성 분위기 또는 산화성 분위기로 하는 것이 바람직하다. 환원성 분위기 중에서 포스트 어닐을 실시하면 산화물 반도체층 중의 산소가 빠지고, 잉여 캐리어가 발생하여, 전기 특성 편차가 일어나기 쉽다. 또한, 포스트 어닐 분위기의 습도가 매우 높은 경우에는 막 중에 수분이 흡입되기 쉽고, 전기 특성 편차가 일어나기 쉬워지기 때문에, 습도는 50 % 이하에서 실시하는 것이 바람직하다. It is preferable that the atmosphere during post annealing is an inert atmosphere or an oxidizing atmosphere. If post annealing is performed in a reducing atmosphere, oxygen in the oxide semiconductor layer is released, surplus carriers are generated, and electric characteristic deviations are likely to occur. In addition, when the humidity in the post annealing atmosphere is very high, moisture is liable to be sucked into the film and electric characteristic deviation easily occurs. Therefore, the humidity is preferably 50% or less.

이상의 순서에 의해, 도 1(A) 에 나타내는 박막 트랜지스터 (1) 를 제작할 수 있다.The thin film transistor 1 shown in Fig. 1 (A) can be manufactured by the above procedure.

본 발명의 박막 트랜지스터의 용도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 전기 광학 장치로서의 표시 장치 (예를 들어 액정 표시 장치, 유기 EL (Electro Luminescence) 표시 장치, 무기 EL 표시 장치 등) 에 있어서의 구동 소자로서 바람직하다. 특히, 특성의 면 내에 있어서의 균일성이 높기 때문에, 대면적 디바이스에 바람직하다.The use of the thin film transistor of the present invention is not particularly limited, but may be applied to, for example, a driving method in a display device (for example, a liquid crystal display device, an organic EL (Electro Luminescence) It is preferable as an element. In particular, it is preferable for a large-area device because of high uniformity in the plane of characteristics.

또한, 본 발명의 박막 트랜지스터는, 수지 기판을 사용한 저온 프로세스로 제작할 수 있는 플렉시블 디스플레이 등의 디바이스, CCD (Charge Coupled Device), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서, X 선 센서 등의 각종 센서, MEMS (Micro Electro Mechanical System) 등, 여러 가지 전자 디바이스에 있어서의 구동 소자 (구동 회로) 로서 바람직하게 사용되는 것이다.The thin film transistor of the present invention can be applied to various devices such as a flexible display device which can be manufactured by a low temperature process using a resin substrate, an image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device), a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) (Drive circuit) in various electronic devices, such as sensors, MEMS (Micro Electro Mechanical System), and the like.

본 발명의 박막 트랜지스터를 사용한 본 발명의 표시 장치 및 센서는, 모두 특성의 면 내 균일성이 높다. 또한, 여기서 말하는 「특성」이란, 표시 장치의 경우에는 표시 특성, 센서의 경우에는 감도 특성이다.The display device and the sensor of the present invention using the thin film transistor of the present invention are all highly uniform in properties. Here, the &quot; characteristic &quot; is a display characteristic in the case of a display device, and a sensitivity characteristic in the case of a sensor.

<액정 표시 장치> <Liquid Crystal Display Device>

도 2 에, 본 발명의 전기 광학 장치의 일 실시형태의 액정 표시 장치에 대하여, 그 일부분의 개략 단면도를 나타내고, 도 3 에 그 전기 배선의 개략 구성도를 나타낸다.Fig. 2 shows a schematic cross-sectional view of a part of a liquid crystal display device according to an embodiment of the electro-optical device of the present invention, and Fig. 3 shows a schematic configuration diagram of the electric wiring thereof.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 액정 표시 장치 (5) 는, 도 1(A) 에 나타낸 탑 게이트형의 박막 트랜지스터 (1) 와, 트랜지스터 (1) 의 패시베이션층 (54) 으로 보호된 게이트 전극 (16) 상에 화소 하부 전극 (55) 및 그 대향 상부 전극 (56) 사이에 끼워진 액정층 (57) 과, 각 화소에 대응시켜 상이한 색을 발색시키기 위한 RGB 컬러 필터 (58) 를 구비하고, TFT (10) 의 기판 (11) 측 및 컬러 필터 (58) 상에 각각 편광판 (59a, 59b) 을 구비한 구성이다.2, the liquid crystal display device 5 according to the present embodiment includes a top gate type thin film transistor 1 shown in FIG. 1A and a thin film transistor 1 which is protected with a passivation layer 54 of the transistor 1 A liquid crystal layer 57 sandwiched between the pixel lower electrode 55 and the opposing upper electrode 56 on the gate electrode 16 and an RGB color filter 58 for coloring different colors in correspondence with each pixel And the polarizing plates 59a and 59b are provided on the substrate 11 side of the TFT 10 and on the color filter 58, respectively.

또한, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 액정 표시 장치 (5) 는, 서로 평행한 복수의 게이트 배선 (51) 과, 그 게이트 배선 (51) 과 교차하는, 서로 평행한 데이터 배선 (52) 을 구비하고 있다. 여기서 게이트 배선 (51) 과 데이터 배선 (52) 은 전기적으로 절연되어 있다. 게이트 배선 (51) 과 데이터 배선 (52) 의 교차부 부근에, 박막 트랜지스터 (1) 가 구비되어 있다.3, the liquid crystal display device 5 of the present embodiment includes a plurality of gate wirings 51 that are parallel to each other and a plurality of data wirings 52 . Here, the gate wiring 51 and the data wiring 52 are electrically insulated. A thin film transistor 1 is provided near the intersection of the gate wiring 51 and the data wiring 52.

박막 트랜지스터 (1) 의 게이트 전극 (16) 은 게이트 배선 (51) 에 접속되어 있고, 박막 트랜지스터 (1) 의 소스 전극 (13) 은 데이터 배선 (52) 에 접속되어 있다. 또한, 박막 트랜지스터 (1) 의 드레인 전극 (14) 은 게이트 절연막 (15) 에 형성된 컨택트홀 (19) 을 통해 (컨택트홀 (19) 에 도전체가 매립되어) 화소 하부 전극 (55) 에 접속되어 있다. 이 화소 하부 전극 (55) 은 접지된 대향 전극 (56) 과 함께 콘덴서 (53) 를 구성하고 있다.The gate electrode 16 of the thin film transistor 1 is connected to the gate wiring 51 and the source electrode 13 of the thin film transistor 1 is connected to the data wiring 52. The drain electrode 14 of the thin film transistor 1 is connected to the pixel lower electrode 55 through a contact hole 19 formed in the gate insulating film 15 (a conductor is buried in the contact hole 19) . The pixel lower electrode 55 constitutes a capacitor 53 together with the grounded counter electrode 56.

도 2 및 도 3 에 나타낸 본 실시형태의 액정 장치에 있어서는, 탑 게이트형의 박막 트랜지스터를 구비하는 것으로 하였지만, 본 발명의 표시 장치인 액정 장치에 있어서 사용되는 박막 트랜지스터는 탑 게이트형에 한정되지 않고, 보텀 게이트형의 박막 트랜지스터여도 된다.Although the liquid crystal device of this embodiment shown in Figs. 2 and 3 is provided with the top gate type thin film transistor, the thin film transistor used in the liquid crystal device which is the display device of the present invention is not limited to the top gate type , Or a bottom gate type thin film transistor.

본 발명의 박막 트랜지스터는 면 내 균일성, 안정성 및 신뢰성이 매우 높은 점에서, 액정 표시 장치에 있어서의 대화면화에 적합하다. 또한, 본 발명의 박막 트랜지스터는, 저온에서의 어닐 처리에 의해 충분한 특성을 갖는 것을 제작할 수 있기 때문에, 기판으로는 수지 기판 (플라스틱 기판) 을 사용할 수 있어, 대면적이며 균일하고, 안정적이며 또한 플렉시블한 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.The thin film transistor of the present invention is suitable for a large screen in a liquid crystal display device because of its high in-plane uniformity, stability and reliability. In addition, since the thin film transistor of the present invention can be manufactured by annealing at a low temperature to have sufficient characteristics, a resin substrate (plastic substrate) can be used as the substrate, and a large area, uniform, stable, A liquid crystal display device can be provided.

또한, 본 발명의 박막 트랜지스터는, 일반적인 IGZO 재료에 비해, Ga 조성비가 높은 IGZO 막을 사용하고 있기 때문에, 광학 밴드갭이 넓고, 그 결과, 가시광의 단파장 영역 (예를 들어 400 ㎚ 정도) 의 광 흡수를 저감시킬 수 있게 되기 때문에, 트랜지스터에 차광 수단을 형성할 필요가 없어, 생산 프로세스가 간편해지며, 또한 EL 발광을 효율적으로 취출할 수 있게 된다.Further, since the thin film transistor of the present invention uses an IGZO film having a high Ga composition ratio as compared with a general IGZO material, the optical bandgap is wide, and as a result, light absorption of a short wavelength region (for example, about 400 nm) It is not necessary to form the shielding means in the transistor, so that the production process is simplified and the EL light emission can be efficiently taken out.

<X 선 센서><X-ray sensor>

도 4 에, 본 발명 센서의 일 실시형태인 X 선 센서에 대하여, 그 일부분의 개략 단면도를 나타내고, 도 5 에 그 전기 배선의 개략 구성도를 나타낸다.Fig. 4 shows a schematic sectional view of a part of the X-ray sensor which is one embodiment of the sensor of the present invention, and Fig. 5 shows a schematic configuration diagram of the electric wiring.

도 4 는, 보다 구체적으로는 X 선 센서 어레이의 일부를 확대한 개략 단면도이다. 본 실시형태의 X 선 센서 (7) 는 기판 상에 형성된 박막 트랜지스터 (1) 및 커패시터 (70) 와, 커패시터 (70) 상에 형성된 전하 수집용 전극 (71) 과, X 선 변환층 (72) 과, 상부 전극 (73) 을 구비하여 구성된다. 박막 트랜지스터 (1) 상에는 패시베이션막 (75) 이 형성되어 있다.4 is a schematic cross-sectional view of an enlarged portion of an X-ray sensor array, more specifically. The X-ray sensor 7 of this embodiment includes a thin film transistor 1 and a capacitor 70 formed on a substrate, a charge collecting electrode 71 formed on the capacitor 70, an X-ray conversion layer 72, And an upper electrode (73). On the thin film transistor 1, a passivation film 75 is formed.

커패시터 (70) 는 커패시터용 하부 전극 (76) 과 커패시터용 상부 전극 (77) 으로 절연막 (78) 을 사이에 끼운 구조로 되어 있다. 커패시터용 상부 전극 (77) 은 절연막 (78) 에 형성된 컨택트홀 (79) 을 통해, 박막 트랜지스터 (1) 의 소스 전극 (13) 및 드레인 전극 (14) 중 어느 일방 (도 4 에 있어서는 드레인 전극 (14)) 과 접속되어 있다.The capacitor 70 has a structure in which the insulating film 78 is interposed between the lower electrode 76 for the capacitor and the upper electrode 77 for the capacitor. The upper electrode 77 for the capacitor is connected to either one of the source electrode 13 and the drain electrode 14 of the thin film transistor 1 through the contact hole 79 formed in the insulating film 78 14).

전하 수집용 전극 (71) 은 커패시터 (70) 에 있어서의 커패시터용 상부 전극 (77) 상에 형성되어 있고, 커패시터용 상부 전극 (77) 에 접하고 있다.The charge collecting electrode 71 is formed on the capacitor upper electrode 77 in the capacitor 70 and is in contact with the capacitor upper electrode 77.

X 선 변환층 (72) 은 아모르퍼스 셀렌으로 이루어지는 층이고, 박막 트랜지스터 (1) 및 커패시터 (70) 를 덮도록 형성되어 있다. The X-ray conversion layer 72 is a layer made of amorphous selenium and is formed so as to cover the thin film transistor 1 and the capacitor 70.

상부 전극 (73) 은 X 선 변환층 (72) 상에 형성되어 있고, X 선 변환층 (72) 에 접하고 있다. The upper electrode 73 is formed on the X-ray conversion layer 72 and is in contact with the X-ray conversion layer 72.

도 5 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 X 선 센서 (7) 는, 서로 평행한 복수의 게이트 배선 (81) 과, 게이트 배선 (81) 과 교차하는, 서로 평행한 복수의 데이터 배선 (82) 을 구비하고 있다. 여기서 게이트 배선 (81) 과 데이터 배선 (82) 은 전기적으로 절연되어 있다. 게이트 배선 (81) 과 데이터 배선 (82) 의 교차부 부근에, 박막 트랜지스터 (1) 가 구비되어 있다.5, the X-ray sensor 7 of the present embodiment includes a plurality of gate wirings 81 that are parallel to each other, a plurality of data wirings 82 that are parallel to each other and intersect the gate wirings 81, . Here, the gate wiring 81 and the data wiring 82 are electrically insulated. A thin film transistor 1 is provided near the intersection of the gate wiring 81 and the data wiring 82.

박막 트랜지스터 (1) 의 게이트 전극 (16) 은 게이트 배선 (81) 에 접속되어 있고, 박막 트랜지스터 (1) 의 소스 전극 (13) 은 데이터 배선 (82) 에 접속되어 있다. 또한, 박막 트랜지스터 (1) 의 드레인 전극 (14) 은 전하 수집용 전극 (71) 에 접속되어 있고, 또한 이 전하 수집용 전극 (71) 은 접지된 대향 전극 (76) 과 함께 커패시터 (70) 를 구성하고 있다.The gate electrode 16 of the thin film transistor 1 is connected to the gate wiring 81 and the source electrode 13 of the thin film transistor 1 is connected to the data wiring 82. [ The drain electrode 14 of the thin film transistor 1 is connected to the charge collecting electrode 71 and the charge collecting electrode 71 is connected to the grounded opposing electrode 76 together with the capacitor 70 Respectively.

본 구성의 X 선 센서 (7) 에 있어서, X 선은 도 4 중, 상부 (상부 전극 (73) 측) 로부터 조사되어, X 선 변환층 (72) 에서 전자-정공쌍을 생성한다. 이 X 선 변환층 (72) 에 상부 전극 (73) 에 의해 고(高)전계를 인가해 둠으로써, 생성된 전하는 커패시터 (70) 에 축적되고, 박막 트랜지스터 (1) 를 순차로 주사함으로써 판독된다.In the X-ray sensor 7 of this configuration, X-rays are irradiated from the upper portion (on the side of the upper electrode 73) in FIG. 4 to generate electron-hole pairs in the X- By applying a high electric field to the X-ray conversion layer 72 by the upper electrode 73, the generated electric charge is accumulated in the capacitor 70 and is read by sequentially scanning the thin film transistor 1 .

본 발명의 X 선 센서는, 면 내 균일성이 높고, 신뢰성이 우수한 박막 트랜지스터 (1) 를 구비하기 때문에, 균일성이 우수한 화상을 얻을 수 있다.Since the X-ray sensor of the present invention includes the thin film transistor 1 having high in-plane uniformity and excellent reliability, an image with excellent uniformity can be obtained.

또한, 도 4 에 나타낸 본 실시형태의 X 선 센서에 있어서는, 탑 게이트형의 박막 트랜지스터를 구비하는 것으로 하였지만, 본 발명의 센서에 있어서 사용되는 박막 트랜지스터는 탑 게이트형에 한정되지 않고, 보텀 게이트형의 박막 트랜지스터여도 된다.Although the X-ray sensor of this embodiment shown in Fig. 4 includes the top gate type thin film transistor, the thin film transistor used in the sensor of the present invention is not limited to the top gate type, Of a thin film transistor.

실시예Example

산화물 반도체 박막에 대하여 실시예, 비교예의 각 시료를 제작하고 전기 특성의 측정을 실시하였다. 또한, 본 발명의 조성 범위의 산화물 반도체 박막을 구비한 박막 트랜지스터의 실시예를 제작하고, TFT 특성의 평가를 실시하였다.For each of the oxide semiconductor thin films, samples of Examples and Comparative Examples were prepared and electrical characteristics were measured. In addition, examples of the thin film transistor provided with the oxide semiconductor thin film of the composition range of the present invention were fabricated, and the TFT characteristics were evaluated.

<검증 실험 1 : In-Ga 비를 변경한 IGZO 막의 인시츄 (In-situ) 전기 측정><Verification test 1: In-situ electrical measurement of the IGZO film changed in In-Ga ratio>

In, Ga 조성비가 상이한 IGZO 막의 어닐 온도와 전기 특성의 관계에 대하여, 이하와 같은 시료를 제작하고, 평가를 실시하였다. The following samples were prepared and evaluated for the relationship between the annealing temperature and electrical characteristics of the IGZO film having different In and Ga composition ratios.

전기 저항 측정용 시료로서, 기판 상에 소정 크기의 IGZO 막을 하기 각 실시예, 비교예의 조건에서 성막하고, 그 위에 전극을 형성한 것을 제작하였다.As a sample for electrical resistance measurement, an IGZO film of a predetermined size was formed on a substrate under the conditions of each of the following examples and comparative examples, and an electrode was formed thereon.

도 6 및 도 7 을 참조하여, 전기 저항 측정용 시료의 제작 방법에 대하여 설명한다. 도 6, 7 에 있어서 각각 (A) 는 평면도이고, (B) 는 단면도이다.A method of manufacturing a sample for measuring electrical resistance will be described with reference to Figs. 6 and 7. Fig. 6 and 7, (A) is a plan view and (B) is a cross-sectional view.

기판 (100) 으로서, 합성 석영 유리 기판 (코발렌트 마테리알사 제조, 품번 T-4040, 1 inch□ × 1 ㎜t) 을 사용하고, 이 기판 (100) 상에 산화물 반도체 박막 (101) 을 하기 각 실시예, 비교예의 조건에서 스퍼터 성막하여 제작하였다. 성막시에 메탈 마스크를 사용하고, 1 inch□ 기판 (100) 상에 3 ㎜ × 9 ㎜ 의 패턴 형상의 산화물 반도체 박막 (101) 을 성막하였다 (도 6 참조).A synthetic quartz glass substrate (product number: T-4040, manufactured by Covalent Matrix Co., Ltd., 1 inch x 1 mmt) was used as the substrate 100, and an oxide semiconductor thin film 101 was formed on the substrate 100 Sputtering was performed under the conditions of each of the Examples and Comparative Examples. 6, an oxide semiconductor thin film 101 having a pattern of 3 mm x 9 mm was formed on a 1 inch square substrate 100 using a metal mask at the time of film formation.

성막은 In2O3 타깃, Ga2O3 타깃, ZnO 타깃을 사용한 공스퍼터 (co-sputter) 에 의해 실시하고, 조성비의 조정은 각 타깃에 투입하는 전력비를 변화시킴으로써 실시하였다.The film formation was carried out by co-sputtering using In 2 O 3 target, Ga 2 O 3 target and ZnO target, and the composition ratio was adjusted by changing the electric power ratio applied to each target.

얻어진 산화물 반도체 박막 (101) 상에 전극 (102) 을 스퍼터에 의해 성막하였다. 전극 (102) 은 Ti 와 Au 의 적층막으로 이루어지는 것으로 하였다. 산화물 반도체 박막 (101) 상에, Ti 를 10 ㎚ 성막한 후, Au 를 40 ㎚ 성막하였다. 전극 성막에 있어서도 메탈 마스크를 사용하여 패턴 성막을 실시함으로써, 4 단자 전극을 형성하였다 (도 7 참조).The electrode 102 was formed on the obtained oxide semiconductor thin film 101 by sputtering. The electrode 102 is made of a laminated film of Ti and Au. On the oxide semiconductor thin film 101, 10 nm of Ti was deposited, and then 40 nm of Au was deposited. Also in the electrode film formation, patterning was performed using a metal mask to form a four-terminal electrode (see Fig. 7).

(실시예 1)(Example 1)

실시예 1 로서, 이하의 스퍼터 성막 조건에서 산화물 반도체 박막으로서 IGZO 막을 성막하였다.As Example 1, an IGZO film was formed as an oxide semiconductor thin film under the following sputter deposition conditions.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.2 : 1.8 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.2: 1.8: 1.0

막두께 50 ㎚Film thickness 50 nm

성막실 도달 진공도 6×10-6The degree of vacuum reached the deposition chamber was 6 × 10 -6 Pa

성막시 압력 4.4×10-1When the film formation pressure 4.4 × 10 -1

Ar 유량 30 sccmAr flow rate 30 sccm

O2 유량 0 sccmO 2 flow rate 0 sccm

실시예 2, 비교예 1 ∼ 4 로서, 실시예 1 과 카티온 조성비가 상이한 IGZO 막을 제작하였다. 또한, 카티온 조성비가 변화되면 막의 초기 저항률이 변화되어 버려, 캐리어량의 비교가 곤란해지기 때문에, 성막시의 산소 유량을 조정하여, 막의 초기 저항률이 10+2 ∼ 10+5 Ω㎝ 의 범위 내에 들어가도록 하였다. 여기서, 초기 저항률 (초기값) 이란, 열처리 전의 실온 (20 ℃) 에서의 저항률이다. 각 실시예, 비교예의 성막 조건으로서, 카티온 조성비 및 산소 유량 (O2 유량) 을 이하에 나타낸다. 앞서 서술한 바와 같이, 성막은 In2O3 타깃, Ga2O3 타깃, ZnO 타깃을 사용한 공스퍼터 (co-sputter) 에 의해 실시하고, 각 조성비가 되도록, 각 타깃에 투입하는 전력비를 변화시켜 실시하였다. 다른 조건은 실시예 1 과 동일하게 하였다.As Example 2 and Comparative Examples 1 to 4, an IGZO film having a different cation composition ratio from that of Example 1 was produced. Also, since the initial resistivity of the film is changed when the cationic composition ratio is changed, it is difficult to compare the amount of the carrier, so the oxygen flow rate at the time of film formation is adjusted so that the initial resistivity of the film is in the range of 10 +2 to 10 + . Here, the initial resistivity (initial value) is the resistivity at room temperature (20 캜) before the heat treatment. The cation composition ratio and the oxygen flow rate (O 2 flow rate) as the film forming conditions of the respective Examples and Comparative Examples are shown below. As described above, the film formation is carried out by co-sputtering using an In 2 O 3 target, a Ga 2 O 3 target, and a ZnO target, and the electric power ratio applied to each target is varied Respectively. The other conditions were the same as those of Example 1.

(실시예 2)(Example 2)

실시예 2 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.Conditions for forming the oxide semiconductor thin film in Example 2 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.4 : 1.6 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.4: 1.6: 1.0

O2 유량 0 sccmO 2 flow rate 0 sccm

(비교예 1)(Comparative Example 1)

비교예 1 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.Conditions for forming the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 1 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.5 : 1.5 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.5: 1.5: 1.0

O2 유량 0 sccm O 2 flow rate 0 sccm

(비교예 2) (Comparative Example 2)

비교예 2 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.Conditions for forming the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 2 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.8 : 1.2 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.8: 1.2: 1.0

O2 유량 0.1 sccmO 2 flow rate 0.1 sccm

(비교예 3)(Comparative Example 3)

비교예 3 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.The film formation conditions of the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 3 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 1.0 : 1.0 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 1.0: 1.0: 1.0

O2 유량 0.15 sccmO 2 flow rate 0.15 sccm

(비교예 4) (Comparative Example 4)

비교예 4 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.The film formation conditions of the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 4 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 1.5 : 0.5 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 1.5: 0.5: 1.0

O2 유량 0.45 sccmO 2 flow rate 0.45 sccm

<저항률의 온도 변화 측정> <Measurement of temperature change of resistivity>

상기 6 종의 시료 (실시예 1, 2, 비교예 1 ∼ 4) 에 대하여, 분위기를 제어할 수 있으며, 또한 열처리를 하면서 전기 저항 측정이 가능한 장치에 세트하고, 승온·강온 과정에서의 저항률의 변화를 측정하였다. 챔버 내의 분위기는 Ar 160 sccm, O2 40 sccm 으로 하고, 10 ℃/min 으로 200 ℃ 까지 승온, 200 ℃ 에서 10 분 유지 후, 노랭 (爐冷) 으로 실온까지 냉각을 실시하였다.The six kinds of samples (Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4) were set in an apparatus capable of controlling the atmosphere and capable of measuring electric resistance while being subjected to heat treatment, Change was measured. The atmosphere in the chamber was Ar 160 sccm and O 2 40 sccm, and the temperature was raised to 200 占 폚 at 10 占 폚 / min, held at 200 占 폚 for 10 minutes, and then cooled to room temperature by furnace cooling.

실시예 1, 2 및 비교예 1 ∼ 4 의 승온·강온 과정에서의 온도와 저항률의 관계를 도 8 에 나타낸다.Fig. 8 shows the relationship between the temperature and the resistivity in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 in the heating and cooling process.

비교적 Ga 조성비가 큰 실시예 1 및 실시예 2 에 대해서는 승온·강온 과정 후에 막의 저항률은 초기값 근방 (열처리 공정 전의 저항률을 ρa, 열처리 공정 후의 저항률을 ρb 로 하였을 때, 양 저항률의 관계가 0.1ρa ≤ ρb ≤ 10ρa 이다) 으로 되돌아가는 것이 확인된 반면, 비교적 In 조성비가 큰 비교예 1, 2, 3 및 4 에 대해서는 승온 과정시에 급격한 저저항화가 일어나고, 그 후, 강온 과정에 있어서도 저항률은 높아지는 경우가 없어, 200 ℃ 에서의 저항률을 거의 유지하면서 되돌아가는 것이 확인되었다.In Examples 1 and 2 in which the Ga composition ratio is relatively high, the resistivity of the film after the temperature increase / decrease process is close to the initial value (when the resistivity before the heat treatment process is ρ a and the resistivity after the heat treatment process is ρ b , 0.1ρ a ≤ ρ b ≤ 10ρ a ). On the other hand, for Comparative Examples 1, 2, 3 and 4 in which the In composition ratio is relatively large, rapid resistance is generated during the temperature raising process, , The resistivity did not increase and it was confirmed that the resistivity was returned while maintaining a resistivity at 200 캜.

대면적의 반도체 박막을 제조하는 경우, 면 내에서 온도를 균일하게 유지하는 것은 곤란하여, 일반적으로는 어닐시에 면 내에 온도 불균일이 발생한다. 비교예 1 ∼ 4 와 같이, 온도 상승에 수반하여 저항률이 변화되고, 온도 하강시킨 후에도 도달 온도 (여기서는 200 ℃) 에서의 저항률을 거의 유지하는 것인 경우, 면 내에 있어서의 온도 불균일에 의해, 면 내에 저항률의 불균일 즉 전기 특성의 불균일이 발생한다. 반면, 실시예 1 및 2 와 같이, 승온·강온 과정에 있어서 저항률에 이력이 거의 없는 경우에는, 어닐시에 면 내에 온도 불균일이 발생해도, 면 내의 전기 특성의 불균일로 이어지는 경우는 없어, 전기 특성의 면 내 균일성이 높은 반도체 박막을 얻을 수 있다고 할 수 있다. 또한, 반도체 박막의 크기에 따른 대형 히터를 사용하는 등의 특수한 장치를 준비함으로써 면 내에서 온도를 균일하게 유지하는 방법도 생각할 수 있지만, 장치 비용이 매우 높아진다. 한편, 실시예 1, 2 와 같이 다소의 온도 불균일이 발생해도 면 내 균일성이 높은 반도체 박막을 얻을 수 있다면, 특수한 장치를 준비할 필요가 없기 때문에 비용 증가를 억제할 수 있다.In the case of producing a semiconductor thin film having a large area, it is difficult to maintain the temperature uniformly in the surface, and temperature unevenness generally occurs in the surface at the time of annealing. As in Comparative Examples 1 to 4, in the case where the resistivity is changed with temperature rise and the resistivity at the reaching temperature (here, 200 占 폚) is substantially maintained even after the temperature is lowered, The irregularity of the resistivity, that is, the irregularity of the electric characteristics, occurs. On the other hand, in the case where there is little history of the resistivity in the heating and cooling process as in Examples 1 and 2, even if temperature unevenness occurs in the surface at the time of annealing, It is possible to obtain a semiconductor thin film having high in-plane uniformity. In addition, a method of uniformly maintaining the temperature in the surface by preparing a special apparatus such as using a large heater according to the size of the semiconductor thin film is also conceivable, but the apparatus cost is very high. On the other hand, if a semiconductor thin film having high in-plane uniformity can be obtained even if some temperature unevenness occurs as in Examples 1 and 2, it is not necessary to prepare a special apparatus, and the increase in cost can be suppressed.

<검증 실험 2 : IGZO 막의 승온 탈리 가스 분석> <Verification test 2: Analysis of temperature elevation degassing of IGZO film>

In-Ga 조성비가 상이한 IGZO 막을 열처리하는 과정에 있어서, 탈리하는 가스에 어떠한 차이가 있는지에 대하여 승온 탈리 가스 분석 장치를 사용한 평가를 실시하였다. 즉, 포스트 어닐시의 전기 특성의 동향이 조성비에 따라 상이한 요인이 어디에 있는 것인지를 밝히는 실험을 실시하였다.In the process of heat-treating the IGZO film having different In-Ga composition ratios, evaluation of the difference in the gas to be desorbed was performed using the temperature-rising desalination gas analyzer. In other words, an experiment was conducted to find out where the factors of the electric characteristics at the post annealing differ depending on the composition ratio.

조성비가 In : Ga : Zn = 1.5 : 0.5 : 1.0 (비교예 4 상당), In : Ga : Zn = 0.5 : 1.5 : 1.0 (비교예 1 상당), 및 In : Ga : Zn = 0 : 2 : 1 인 산화물 반도체 박막을, Si 기판 상에 각각 100 ㎚ 성막한 시료를 사용하였다. 각 시료에 대하여, 전자 과학 주식회사 제조의 승온 탈리 가스 분석 장치 EMD-WA1000S 를 사용하고, 스테이지 온도를 실온에서부터 800 ℃ 까지 1 ℃/sec 의 승온 레이트로 상승시켜, 그 때의 탈리 가스의 차이를 평가하였다.The composition ratio of In: Ga: Zn = 1.5: 0.5: 1.0 (corresponding to Comparative Example 4), In: Ga: Zn = 0.5: 1.5: Phosphorus oxide semiconductor thin films were each formed on a Si substrate to have a thickness of 100 nm. The temperature of the stage was elevated from room temperature to 800 DEG C at a temperature rise rate of 1 DEG C / sec, and the difference of the desorbed gas at that time was evaluated for each sample using a temperature elevation desorption gas analyzer EMD-WA1000S manufactured by Electronic Science Co., Respectively.

M/z = 2 ∼ 199 까지의 질량을 갖는 탈리 가스에 대하여 평가한 결과, 탈리 가스량에 현저한 차이가 난 것은 물에서 기인되는 M/z = 18(H2O) 및 17(OH) 인 것이 밝혀졌다.As a result of evaluating the desorbed gas having a mass of M / z = 2 to 199, it was found that the difference in the amount of desorbed gas was M / z = 18 (H 2 O) and 17 (OH) lost.

도 9 는, 각 시료에 대한 M/z = 18(H2O) 에 대한 승온시의 탈리 가스량 변화를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing changes in the amount of desorbed gas at the time of temperature rise relative to M / z = 18 (H 2 O) for each sample.

도 9 의 그래프에서 보아 알 수 있듯이, Ga 조성비가 높은 시료이면 일수록 시료로부터 방출되는 수분 (H2O) 량이 적은 것이 확인되었다. 또한, M/z = 17(OH) 에 대해서도 동일한 현상이 확인되었다.As can be seen from the graph of FIG. 9, it was confirmed that the amount of moisture (H 2 O) released from the sample was smaller in the sample having a high Ga composition ratio. The same phenomenon was confirmed for M / z = 17 (OH).

상기 결과로부터, 도 8 에서 나타낸 열처리 과정에 있어서의 동향의 차이는, 막 중으로부터의 물의 탈리에 수반하는 캐리어의 발생이 요인인 것으로 생각할 수 있다. Ga 조성비가 높은 시료에 있어서는, 막 중 수분량이 원래 적기 때문에, 열처리 과정에 있어서의 물의 탈리도 적고, 막 중 캐리어량도 크게 변화하지 않기 때문에, 열처리 과정 후의 막의 저항률은 거의 변함 없이 초기값으로 되돌아가는 반면, In 조성비가 높은 시료에 있어서는, 막 중에 다량의 수분을 함유하기 때문에, 열처리 과정에 있어서 물이 다량으로 탈리되고, 캐리어가 대량으로 발생하기 때문에, 급격하게 저저항화가 진행되고, 추가로 실온까지 냉각시켜도 저저항인 채로 유지되는 것으로 추측된다. From the above results, it can be considered that the difference in the trend in the heat treatment process shown in Fig. 8 is a factor of occurrence of carriers accompanying the desorption of water from the inside of the film. In the sample having a high Ga composition ratio, since the water content in the film is originally small, the amount of water in the heat treatment is small and the amount of the carrier in the film does not greatly change. Thus, the resistivity of the film after the heat treatment process is almost unchanged to the initial value On the other hand, in a sample having a high In composition ratio, since a large amount of moisture is contained in the film, a large amount of water is eliminated in the heat treatment process and a large amount of carriers are generated, It is presumed that even if it is cooled to room temperature, it remains low resistance.

<검증 실험 3 : Zn 조성비가 상이한 IGZO 막의 인시츄 (In-situ) 전기 특성 측정> <Verification experiment 3: Measurement of in-situ electrical characteristics of IGZO films having different Zn composition ratios>

다음으로 Zn 조성비가 상이한 IGZO 막의 포스트 어닐 온도와 전기 특성의 관계에 대하여, 검증 실험 1 과 동일하게 전기 저항 측정용 시료를 제작하고, 저항률의 온도 변화 측정을 실시하였다. Next, the relationship between the post annealing temperature and the electrical characteristics of the IGZO film having different Zn composition ratios was made in the same manner as the verification experiment 1, and the electrical resistance measurement samples were prepared and the temperature change of the resistivity was measured.

전기 저항 측정용 시료로서, 하기 실시예 3 및 비교예 5, 6 의 스퍼터 조건에서 IGZO 막을 제작하였다.IGZO films were prepared under the sputter conditions of Example 3 and Comparative Examples 5 and 6 as samples for electrical resistance measurement.

각 실시예, 비교예의 스퍼터 조건에 기재하지 않은 조건은 실시예 1 에 대한 전기 저항 측정용 시료의 제작 방법과 동일하게 하고, 저항률의 온도 변화 측정 방법 및 조건은 검증 실험 1 과 동일하게 하였다.The conditions not described in the sputter conditions of each of the examples and comparative examples were the same as those of the sample for electrical resistance measurement according to Example 1, and the method and conditions for measuring the temperature change of the resistivity were the same as those in the verification test 1.

(실시예 3) (Example 3)

실시예 3 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.Conditions for forming the oxide semiconductor thin film in Example 3 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.2 : 1.8 : 0.5Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.2: 1.8: 0.5

O2 유량 0 sccm O 2 flow rate 0 sccm

(비교예 5) (Comparative Example 5)

비교예 5 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.The film formation conditions of the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 5 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.2 : 1.8 : 2.0 Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.2: 1.8: 2.0

O2 유량 0.03 sccm O 2 flow rate 0.03 sccm

(비교예 6) (Comparative Example 6)

비교예 6 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.The film formation conditions of the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 6 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.2 : 1.8 : 3.5 Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.2: 1.8: 3.5

O2 유량 0.1 sccmO 2 flow rate 0.1 sccm

상기 시료 (실시예 3, 비교예 5, 6) 에 대하여, 승온·강온 과정에서의 저항률의 변화를 측정하였다. 측정 장치 및 측정 조건은 검증 실험 1 과 동일하게 하였다.The samples (Example 3, Comparative Examples 5 and 6) were subjected to measurement of the change in resistivity during the heating and cooling processes. The measuring apparatus and the measurement conditions were the same as in the verification test 1.

도 10 은 실시예 3 및 비교예 5, 6 의 승온·강온 과정에서의 온도와 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10 에는 비교를 위해서 실시예 1 의 데이터를 아울러 나타내고 있다.10 is a graph showing the relationship between the temperature and the resistivity in Example 3 and Comparative Examples 5 and 6 in the temperature rising and falling conditions. FIG. 10 also shows the data of the first embodiment for comparison.

비교적 Zn 조성비가 낮은 실시예 3 에 대해서는 실시예 1 과 동일하게 승온·강온 과정 후에 막의 저항률은 초기값으로 되돌아가는 것이 확인된 반면, 비교적 Zn 조성비가 큰 비교예 5, 6 에 대해서는 검증 실험 1 에서 나타낸 비교예 1 ∼ 4 와 동일하게 승온 과정시에 급격한 저저항화가 일어나고, 그 후, 강온 과정에 있어서도 저항률은 승온 과정에서의 저항값으로 되돌아가는 경우는 없었다.The resistivity of the film was found to return to the initial value after the temperature rise and decline steps in the same manner as in Example 1 for Comparative Example 3 where the Zn composition ratio was relatively low. On the other hand, for Comparative Examples 5 and 6 in which the Zn composition ratio was relatively high, In the same manner as in Comparative Examples 1 to 4, the resistance was rapidly reduced during the temperature raising process, and thereafter, the resistivity did not return to the resistance value during the raising process.

이 전기 특성 동향의 차이는, 전술한 막 중 수분량의 차이에서 기인되는 것이 용이하게 상상되고, 즉 Zn 조성비가 높은 IGZO 막은 막 중에 수분을 흡입하기 쉽고, 그 때문에 포스트 어닐시에 전기 저항이 급격하게 저하되는 것으로 생각할 수 있다.It is easy to imagine that the difference in the electric characteristic trends is caused by the difference in the moisture content among the above-mentioned films, that is, the IGZO film having a high Zn composition ratio is easy to suck moisture into the film, Can be considered to be degraded.

<검증 실험 4 : 성막시 산소 유량이 상이한 IGZO 막의 인시츄 (In-situ) 전기 측정><Verification test 4: In-situ electrical measurement of IGZO film having different oxygen flow rates at the time of film formation>

IGZO 막의 성막시 산소 유량이 상이한 경우의 어닐 온도와 전기 특성의 관계에 대하여, 검증 실험 1 과 동일하게 전기 저항 측정용 시료를 제작하고, 저항률의 온도 변화 측정을 실시하였다. As for the relationship between the annealing temperature and the electrical characteristics when the oxygen flow rate at the time of film formation of the IGZO film was different, a sample for electrical resistance measurement was prepared in the same manner as in the verification test 1, and the temperature change of the resistivity was measured.

전기 저항 측정용 시료로서 하기 실시예 4 및 비교예 7, 8, 9 의 스퍼터 조건에서 IGZO 막을 제작하였다.IGZO films were prepared under the sputter conditions of Example 4 and Comparative Examples 7, 8 and 9 as samples for electrical resistance measurement.

각 실시예, 비교예의 스퍼터 조건에 기재하지 않은 조건은 실시예 1 에 대한 전기 저항 측정용 시료의 제작 방법과 동일하게 하고, 저항률의 온도 변화 측정 방법 및 조건은 검증 실험 1 과 동일하게 하였다.The conditions not described in the sputter conditions of each of the examples and comparative examples were the same as those of the sample for electrical resistance measurement according to Example 1, and the method and conditions for measuring the temperature change of the resistivity were the same as those in the verification test 1.

(실시예 4) (Example 4)

실시예 4 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.Conditions for forming the oxide semiconductor thin film in Example 4 are as follows.

실시예 4 는 실시예 1 과 동일한 카티온 조성비이고, 성막시의 산소 유량만이 상이하다.Example 4 is the same cation composition ratio as in Example 1, and only the oxygen flow rate at the time of film formation is different.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.2 : 1.8 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.2: 1.8: 1.0

O2 유량 0.03 sccmO 2 flow rate 0.03 sccm

(비교예 7)(Comparative Example 7)

비교예 7 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.The conditions for forming the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 7 are as follows.

비교예 7 은 비교예 3 과 동일한 카티온 조성비이고, 성막시의 산소 유량만이 상이하다.Comparative Example 7 is the same cation composition ratio as that of Comparative Example 3, and only the oxygen flow rate at the time of film formation is different.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 1.0 : 1.0 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 1.0: 1.0: 1.0

O2 유량 0.1 sccmO 2 flow rate 0.1 sccm

(비교예 8)(Comparative Example 8)

비교예 8 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.The film formation conditions of the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 8 are as follows.

비교예 8 은 비교예 3, 7 과 동일한 카티온 조성비이고, 성막시의 산소 유량만이 상이하다.Comparative Example 8 is the same cation composition ratio as Comparative Examples 3 and 7, and only the oxygen flow rate at the time of film formation is different.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 1.0 : 1.0 : 1.0Cation composition ratio In: Ga: Zn = 1.0: 1.0: 1.0

O2 유량 0.2 sccmO 2 flow rate 0.2 sccm

(비교예 9)(Comparative Example 9)

비교예 9 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.The film formation conditions of the oxide semiconductor thin film in Comparative Example 9 are as follows.

비교예 9 는 비교예 3, 7, 8 과 동일한 카티온 조성비이고, 성막시의 산소 유량만이 상이하다.Comparative Example 9 is the same cation composition ratio as Comparative Examples 3, 7, and 8, and differs only in the oxygen flow rate at the time of film formation.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 1.0 : 1.0 : 1.0 Cation composition ratio In: Ga: Zn = 1.0: 1.0: 1.0

O2 유량 0.3 sccmO 2 flow rate 0.3 sccm

상기 시료 (실시예 4, 비교예 7 ∼ 9) 에 대하여, 승온·강온 과정에서의 저항률의 변화를 측정하였다. 측정 장치 및 측정 조건은 검증 실험 1 과 동일하게 하였다. The samples (Example 4 and Comparative Examples 7 to 9) were subjected to measurement of change in resistivity during the heating and cooling process. The measuring apparatus and the measurement conditions were the same as in the verification test 1.

도 11 은 실시예 4, 비교예 7 ∼ 9 의 승온·강온 과정에서의 온도와 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 11 에는 비교를 위해서 실시예 1, 비교예 3 의 데이터를 아울러 나타내고 있다.11 is a graph showing the relationship between the temperature and the resistivity in Example 4 and Comparative Examples 7 to 9 in the temperature rising and falling conditions. 11 shows data of Example 1 and Comparative Example 3 for comparison.

비교적 Ga 조성비가 큰 실시예 4 에 대해서는 실시예 1 과 동일하게 승온·강온 과정 후에 막의 저항률은 초기값으로 되돌아가는 것이 확인된 반면, 비교적 In 조성비가 큰 비교예 7, 8, 9 에 대해서는 비교예 3 과 동일하게 승온 과정시에 급격한 저저항화가 일어나고, 그 후, 강온 과정에 있어서도 저항률은 높아지는 경우는 없어, 200 ℃ 에서의 값을 유지하면서 되돌아가는 것이 확인되었다.It was confirmed that the resistivity of the film was returned to the initial value after the temperature raising and lowering process in the same manner as in Example 1 while the comparative example 7, 8, and 9, which had a relatively large In composition ratio, 3, the resistivity was not increased even during the temperature lowering process, and it was confirmed that the temperature was returned while maintaining the value at 200 ° C.

이 결과로부터, 승온 강온 과정에 의해, 초기 저항으로 되돌아가는 동향을 나타내는 시료와 나타내지 않는 시료는 카티온 조성에 의해 결정되고, 성막시의 산소 유량에 의해 결정되는 것은 아니라는 것이 밝혀졌다. 이 결과는 바꿔 말하면, 막 중의 수분량은 성막시의 산소 유량에 의존하지 않고, 조성비에 의해 결정되는 것을 의미한다.From these results, it was found that the sample showing the tendency of returning to the initial resistance by the temperature lowering and lowering process and the sample not shown are determined by the cation composition and are not determined by the oxygen flow rate at the time of film formation. In other words, this result means that the moisture content in the film is determined by the composition ratio without depending on the oxygen flow rate at the time of film formation.

<검증 실험 5 : In, Ga, Zn 조성비가 상이한 IGZO 막의 인시츄 (In-situ) 전기 측정> <Verification test 5: In-situ electrical measurement of IGZO film having different In, Ga, and Zn composition ratios>

In, Ga, Zn 조성비가 상이한 IGZO 막의 포스트 어닐 온도와 전기 특성의 관계에 대하여, 검증 실험 1 과 동일하게 전기 저항 측정용 시료를 제작하고, 저항률의 온도 변화 측정을 실시하였다. A sample for electrical resistance measurement was prepared in the same manner as the verification test 1 and the temperature change of the resistivity was measured for the relationship between the post annealing temperature and the electrical characteristics of the IGZO film having different In, Ga, and Zn composition ratios.

전기 저항 측정용 시료로서, 하기 실시예 5 및 6 의 스퍼터 조건에서 IGZO 막을 제작하였다.IGZO films were prepared under the sputter conditions of Examples 5 and 6 below as samples for electrical resistance measurement.

각 실시예, 비교예의 스퍼터 조건에 기재하지 않은 조건은 실시예 1 에 대한 전기 저항 측정용 시료의 제작 방법과 동일하게 하고, 저항률의 온도 변화 측정 방법 및 조건은 검증 실험 1 과 동일하게 하였다.The conditions not described in the sputter conditions of each of the examples and comparative examples were the same as those of the sample for electrical resistance measurement according to Example 1, and the method and conditions for measuring the temperature change of the resistivity were the same as those in the verification test 1.

(실시예 5) (Example 5)

실시예 5 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.Conditions for forming the oxide semiconductor thin film in Example 5 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.2 : 1.8 : 0.2Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.2: 1.8: 0.2

O2 유량 0 sccm O 2 flow rate 0 sccm

(실시예 6) (Example 6)

실시예 6 에 있어서의 산화물 반도체 박막의 성막 조건은 이하와 같다.Conditions for forming the oxide semiconductor thin film in Example 6 are as follows.

카티온 조성비 In : Ga : Zn = 0.4 : 1.6 : 0.4Cation composition ratio In: Ga: Zn = 0.4: 1.6: 0.4

O2 유량 0 sccmO 2 flow rate 0 sccm

상기 시료 (실시예 5, 6) 에 대하여, 승온·강온 과정에서의 저항률의 변화를 측정하였다. 측정 장치 및 측정 조건은 검증 실험 1 과 동일하게 하였다.The samples (Examples 5 and 6) were subjected to measurement of change in resistivity during the temperature rise and fall temperature. The measuring apparatus and the measurement conditions were the same as in the verification test 1.

도 12 는, 실시예 5, 6 의 승온·강온 과정에서의 온도와 저항률의 관계를 나타내는 그래프이다. 실시예 5, 6 모두 승온·강온 과정 후에 막의 저항률은 초기값으로 되돌아가는 것이 확인되었다.12 is a graph showing the relationship between the temperature and the resistivity in the heating and cooling processes of Examples 5 and 6. FIG. It was confirmed that the resistivity of the film was returned to the initial value after the temperature increase and the temperature decrease process in Examples 5 and 6.

또한, 상기 검증 실험 1 ∼ 5 에 있어서의 각 실시예 및 비교예에 있어서의 카티온 조성비는 성막 후의 막의 조성비를 나타내는 것이다. 성막 후의 막의 조성비는, 형광 X 선 분석 장치 (㎩nalytical 제조 Axios) 를 사용하여 평가하였다. 또한, 각 예의 어느 것에 대해서도, X 선 회절 측정의 결과, 결정 구조를 나타내는 피크가 확인되지 않고, 모두 비정질이었다. The cation composition ratio in each of the examples and comparative examples in the above Verification Experiments 1 to 5 indicates the composition ratio of the film after film formation. The composition ratio of the film after the film formation was evaluated using a fluorescent X-ray analyzer (Axios, manufactured by Pneumatic). As a result of the X-ray diffraction measurement, no peak showing a crystal structure was observed in any of the examples, and all of them were amorphous.

<검증 실험 6 : TFT 특성 평가> <Verification test 6: Evaluation of TFT characteristics>

Ga 조성비가 큰 IGZO 막을 사용한 TFT (실시예 TFT 1 ∼ 3) 를 제작하고, 그 특성 평가를 실시하였다. TFTs (Example TFTs 1 to 3) using an IGZO film having a large Ga composition ratio were fabricated and their characteristics were evaluated.

기판으로서 열산화막 부착 p 형 Si 기판을 사용하고, 열산화막을 게이트 절연막으로서 사용하는 간이형의 TFT 를 제작하였다. 도 13(A) 는 간이형 TFT 의 평면도이고, 동 도면의 (B) 는 단면도이다.A simple type TFT using a p-type Si substrate with a thermal oxide film as a substrate and using a thermal oxide film as a gate insulating film was fabricated. FIG. 13A is a plan view of a simple type TFT, and FIG. 13B is a sectional view.

(실시예 TFT 1) (Example TFT 1)

실시예 TFT 1 의 간이형 TFT 는 다음과 같이 하여 제작하였다 (도 13 참조).The simple TFT of Example TFT 1 was fabricated as follows (see Fig. 13).

100 ㎚ 의 열산화막 (111) 을 표면에 구비한 p 형 Si 1 inch□ 기판 (110) 상에 실시예 1 의 성막 조건에서 IGZO 막 (112) 을 50 ㎚, 3 ㎜ × 4 ㎜ 의 패턴 성막을 실시하였다. 계속해서 분위기를 제어할 수 있는 전기로에서, 포스트 어닐 처리를 실시하였다. 포스트 어닐 분위기는 Ar 160 sccm, O2 40 sccm 으로 하고, 10 ℃/min 으로 200 ℃ 까지 승온, 200 ℃ 에서 10 분 유지 후, 노랭으로 실온까지 냉각을 실시하였다.On the p-type Si 1 inch? Substrate 110 having the 100 nm thermal oxide film 111 on the surface thereof, the IGZO film 112 was patterned to form 50 nm and 3 mm x 4 mm patterns under the film forming conditions of Example 1 Respectively. Subsequently, post annealing was performed in an electric furnace capable of controlling the atmosphere. The post anneal atmosphere was set to Ar 160 sccm and O 2 40 sccm, and the temperature was raised to 200 ° C at 10 ° C / min, held at 200 ° C for 10 minutes,

그 후, IGZO 막 (112) 상에 소스·드레인 전극 (113) 을 스퍼터에 의해 성막하였다. 소스·드레인 전극 성막은 메탈 마스크를 사용한 패턴 성막으로 제작하였다. Ti 를 10 ㎚ 성막 후, Au 를 40 ㎚ 성막한 것을 소스·드레인 전극 (113) 으로 하였다. 소스·드레인 전극 사이즈는 각각 1 ㎜□ 로 하고, 전극간 거리는 0.2 ㎜ 로 하였다.Thereafter, source / drain electrodes 113 were formed on the IGZO film 112 by sputtering. The source and drain electrode films were formed by patterning using a metal mask. After forming a film of 10 nm of Ti, a film of Au having a thickness of 40 nm was used as the source / drain electrode 113. The source and drain electrode sizes were each 1 mm and the interelectrode distance was 0.2 mm.

(실시예 TFT 2) (Example TFT 2)

IGZO 막을 실시예 2 의 성막 조건에서 성막한 것 이외에는 실시예 TFT 1 과 동일하게 하여 TFT 를 제작하였다. A TFT was fabricated in the same manner as in Example TFT 1 except that the IGZO film was formed under the film formation conditions of Example 2. [

(실시예 TFT 3) (Example TFT 3)

IGZO 막을 실시예 8 의 성막 조건에서 성막한 것 이외에는 실시예 TFT 1 과 동일하게 하여 TFT 를 제작하였다. A TFT was fabricated in the same manner as in Example TFT 1 except that the IGZO film was formed under the film formation conditions of Example 8. [

상기와 같이 하여 얻어진 실시예 TFT 1 ∼ 3 의 간이형 TFT 에 대하여, 반도체 파라미터·애널라이저 4156C (아질렌트 테크놀로지사 제조) 를 사용하여 트랜지스터 특성 (Vg-Id 특성) 및 이동도 (μ) 의 측정을 실시하였다.The transistor characteristics (V g -I d characteristics) and the mobility (μ) of the simple TFTs of the example TFTs 1 to 3 thus obtained were measured using a semiconductor parameter analyzer 4156C (manufactured by Agilent Technologies) .

또한, Vg-Id 특성의 측정은 드레인 전압 (Vd) 을 5 V 로 고정하고, 게이트 전압 (Vg) 을 -15 V ∼ +40 V 의 범위 내에서 변화시켜, 각 게이트 전압 (Vg) 에 있어서의 드레인 전류 (Id) 를 측정함으로써 실시하였다.The V g -I d characteristic was measured by fixing the drain voltage V d to 5 V and varying the gate voltage V g within the range of -15 V to +40 V, g was measured by measuring the drain current I d .

도 14, 15, 16 에 각각 실시예 TFT 1, 2, 3 의 Vg-Id 특성을 나타낸다.Figs. 14, 15 and 16 show V g -I d characteristics of the TFTs 1, 2 and 3, respectively.

모두 Off 전류는 10-10 A 오더이며, 또한 On/Off 비는 ∼106 의 값이 얻어지고, 노멀리·오프형으로 구동하였다. 또한, 모두 전계 효과 이동도는 3 ㎠/Vs 이상이고, 저온 형성이며 또한 아모르퍼스 실리콘에 비해 충분히 높은 이동도를 갖는 양호한 트랜지스터 특성을 나타냈다.All off current is 10 -10 A order, and the On / Off ratio is ~ 10 6 , and it was driven in the normally off type. In addition, all of the field effect mobilities were not less than 3 cm 2 / Vs and exhibited good transistor characteristics with low temperature formation and sufficiently high mobility compared to amorphous silicon.

도 17 은 실시예 1 ∼ 6, 비교예 1 ∼ 9 의 IGZO 막의 조성비를 삼원상태도 중에 플롯한 것이다. 삼원상태도 중에는, 본 발명에서 규정하고 있는 조성 범위와, 지금까지 보고가 이루어진 IGZO 의 조성비를 규정한 각 특허문헌 1 ∼ 4 에 대하여 규정되어 있는 조성 범위를 아울러 나타내고 있다. 도 17 중에 있어서, 본 발명의 IGZO 막의 조성 범위를 영역 A 로 나타내고, 그 중 바람직한 조성 범위를 영역 B 로 나타내고 있다. 또한, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 IGZO 막의 조성 범위는 영역 C, 특허문헌 2 에 기재되어 있는 IGZO 막의 조성 범위는 영역 D, 특허문헌 3 에 기재되어 있는 IGZO 막의 조성 범위는 영역 E, 특허문헌 4 에 기재되어 있는 IGZO 막의 조성 범위는 영역 F 로 각각 나타내어져 있다.17 is a plot of the composition ratios of the IGZO films of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 9 in a three-state state diagram. In the three-state diagram, the composition ranges specified in the present invention and the composition ranges defined for the respective patent documents 1 to 4 that specify the composition ratio of the IGZO reported so far are also shown. In FIG. 17, the composition range of the IGZO film of the present invention is represented by region A, and the preferable composition range thereof is represented by region B. The composition range of the IGZO film described in Patent Document 1 is region C, the composition range of the IGZO film described in Patent Document 2 is region D, the composition range of the IGZO film described in Patent Document 3 is region E, Patent Document 4 And the composition range of the IGZO film described in Fig.

각 특허문헌 1 ∼ 4 에 있어서는, TFT 로서 사용하였을 때의 이동도, S 값이나, 광 조사 특성의 관점에서 여러 가지 조성 범위의 보고가 이루어져 있지만, 포스트 어닐하였을 때의 전기 특성 안정성, 막 중에 수분량에 관해서 최적인 조성을 검토한 보고예는 없다.In each of Patent Documents 1 to 4, various composition ranges are reported from the viewpoints of mobility, S value, and light irradiation characteristics when used as a TFT. However, the stability of electric characteristics at the time of post annealing, There is no report to examine the optimum composition for the present invention.

본 발명자에 의한 상세한 연구 결과, 지금까지 보고가 이루어지지 않은 조성 범위의 IGZO 막이, 전기 특성의 안정성의 관점에서는 최적이라는 것이 밝혀졌다. 기본적으로는 Ga 조성비가 높은 즉 In 조성비, Zn 조성비가 낮은 것에 의해, 막 중 수분량이 저감되고, 막 중 수분량 편차에 의한 전기 특성 편차를 매우 작게 억제할 수 있다. Ga 조성비가 지나치게 높아지면 절연막이 되고, 트랜지스터에 사용하는 것이 곤란해지지만, 본 발명 범위의 조성이면, 막 중 수분량 편차를 억제하는 효과에 추가하여, 높은 이동도를 나타내기 때문에, 트랜지스터의 활성층으로서 바람직하다는 것이 밝혀졌다.As a result of a detailed study by the present inventors, it has been found that an IGZO film having a composition range that has not been reported so far is optimum from the standpoint of stability of electric characteristics. Basically, since the Ga composition ratio is high, that is, the In composition ratio and the Zn composition ratio are low, the water content in the film is reduced and the electrical characteristic variation due to the moisture content variation in the film can be suppressed to be very small. If the Ga composition ratio becomes too high, the insulating film becomes difficult to be used for a transistor. However, since the composition of the present invention exhibits high mobility in addition to the effect of suppressing the moisture content variation in the film, Lt; / RTI &gt;

1, 2, 3, 4 : 박막 트랜지스터
11 : 기판
12 : 활성층 (산화물 반도체 박막)
13 : 소스 전극
14 : 드레인 전극
15 : 게이트 절연막
16 : 게이트 전극
1, 2, 3, 4: Thin film transistor
11: substrate
12: active layer (oxide semiconductor thin film)
13: source electrode
14: drain electrode
15: Gate insulating film
16: gate electrode

Claims (10)

In, Ga, Zn 및 O 를 주된 구성 원소로 하는 산화물 반도체 박막으로서, In, Ga, Zn 의 조성비가 Zn/(In+Ga+Zn) ≤ 1/3, Ga/(In+Ga+Zn) ≤ 9/11, 4/5 ≤ Ga/(In+Ga) ≤ 9/10, 또한 In/(In+Zn) ≤ 2/7 인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막.(In + Ga + Zn) &lt; / = 1/3 and Ga / (In + Ga + Zn) &lt; 9/11, 4/5? Ga / (In + Ga)? 9/10, and In / (In + Zn)? 2/7. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
비정질인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막.
The method according to claim 1,
Wherein the oxide semiconductor thin film is amorphous.
제 1 항에 있어서,
저항률이 1 Ω㎝ 이상, 1×106 Ω㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막.
The method according to claim 1,
Wherein the resistivity is 1 cm or more and 1 x 10 &lt; 6 &gt; cm or less.
기판 상에, 활성층과 소스 전극과 드레인 전극과 게이트 절연막과 게이트 전극을 갖는 박막 트랜지스터로서,
상기 활성층이, 제 1 항, 제 3 항, 및 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 산화물 반도체 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
A thin film transistor having an active layer, a source electrode, a drain electrode, a gate insulating film and a gate electrode on a substrate,
Wherein the active layer is made of the oxide semiconductor thin film according to any one of claims 1, 3 and 4.
제 5 항에 있어서,
상기 기판이 가요성을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
6. The method of claim 5,
Wherein the substrate has flexibility.
제 6 항에 있어서,
상기 기판이 수지 기판인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method according to claim 6,
Wherein the substrate is a resin substrate.
제 5 항에 기재된 박막 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 표시 장치.A display device comprising the thin film transistor according to claim 5. 제 5 항에 기재된 박막 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.An image sensor comprising the thin film transistor according to claim 5. 제 5 항에 기재된 박막 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 X 선 센서.An X-ray sensor comprising the thin film transistor according to claim 5.
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